來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》第1版 要聞
發(fā)布時(shí)間：2025-06-17
本報(bào)訊（記者孫丹寧）中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員張濤，該所副研究員楊冰團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院研究員朱倍恩合作，在動(dòng)態(tài)金屬催化研究與設(shè)計(jì)方面取得新進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)原位解析不同尺寸的Pd/FeOx催化劑在二氧化碳加氫過(guò)程中的動(dòng)態(tài)演變行為，揭示了催化劑結(jié)構(gòu)演變與反應(yīng)進(jìn)程之間的“多米諾效應(yīng)”，為催化劑的高效設(shè)計(jì)提供了新思路。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》。
在多相催化領(lǐng)域，動(dòng)態(tài)碳化作為一種常見(jiàn)的催化劑重構(gòu)過(guò)程，其關(guān)鍵調(diào)控因素的識(shí)別對(duì)催化劑性能優(yōu)化至關(guān)重要。然而，在實(shí)際反應(yīng)進(jìn)程中，反應(yīng)環(huán)境、反應(yīng)中間體與催化劑結(jié)構(gòu)演變之間存在錯(cuò)綜復(fù)雜的耦合作用，為原位解析高活性結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)催化劑的理性設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，大顆粒5Pd-FeOx催化劑在反應(yīng)初期受氫氣主導(dǎo)，促進(jìn)金屬載體合金化產(chǎn)生Pd3Fe合金。該合金表面進(jìn)一步促進(jìn)HCOO*反應(yīng)中間體，使表面快速碳化，形成高活性的Pd3Fe@Fe5C2/Fe3O4結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出優(yōu)異的逆水汽變換反應(yīng)活性。相比之下，小尺寸的0.5Pd-FeOx催化劑由于強(qiáng)金屬載體相互作用，F(xiàn)eOx包覆層抑制了Fe的還原和碳化過(guò)程，導(dǎo)致相對(duì)較低的反應(yīng)活性。而0.05Pd-FeOx單原子催化劑則由于金屬載體電子相互作用，促進(jìn)二氧化碳直接解離，并在一氧化碳誘導(dǎo)下產(chǎn)生緩慢體相碳化。
這些結(jié)果揭示了催化劑動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)演化的復(fù)雜性及與反應(yīng)進(jìn)程、反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)之間的交互耦合機(jī)制，闡明了“金屬粒徑→反應(yīng)氣→界面重構(gòu)→反應(yīng)中間體→動(dòng)態(tài)碳化→反應(yīng)產(chǎn)物”的鏈?zhǔn)蕉嗝字Z效應(yīng)。通過(guò)解耦這一復(fù)雜動(dòng)態(tài)過(guò)程，研究人員發(fā)現(xiàn)，相比于尺寸效應(yīng)和金屬-載體相互作用，合金化過(guò)程才是加速催化劑碳化從而提高反應(yīng)活性的關(guān)鍵因素?；谶@一認(rèn)識(shí)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出具備高活性、短誘導(dǎo)期的低載量0.5Pd3Fe/FeOx合金催化劑，提升了反應(yīng)性能及貴金屬的利用率，實(shí)現(xiàn)了高性能二氧化碳加氫反應(yīng)中催化劑的高效設(shè)計(jì)。
該研究強(qiáng)調(diào)了原位解耦催化劑復(fù)雜動(dòng)態(tài)演變的重要性，為實(shí)現(xiàn)原位結(jié)構(gòu)解析驅(qū)動(dòng)的催化劑理性設(shè)計(jì)提供了范例。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.5c01435
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