高負(fù)載量的原子級(jí)分散催化劑Ir/MoC

近日，北京大學(xué)馬丁教授課題組、中國科學(xué)院大學(xué)周武教授課題組及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉進(jìn)勛研究員合作，在《國家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review，NSR）發(fā)表研究論文，報(bào)道了高負(fù)載量的原子級(jí)分散催化劑Ir/MoC，在一定程度上突破了“高負(fù)載量”與“高分散性”不可兼得的困境。

原子級(jí)分散催化劑在一些反應(yīng)中展現(xiàn)出較高活性或特殊選擇性，受到廣泛關(guān)注。然而，高分散活性物種往往是熱力學(xué)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致現(xiàn)有原子級(jí)分散催化劑金屬載量大多數(shù)在1.5 wt%以下。

在這項(xiàng)工作中，研究者以α-MoC為載體，通過簡單的浸漬方法，實(shí)現(xiàn)了高分散貴金屬Ir物種的負(fù)載。結(jié)合X射線譜學(xué)和球差校正電鏡技術(shù)，研究者發(fā)現(xiàn)：

Ir物種載量達(dá)4%時(shí)仍可保持原子級(jí)分散；

達(dá)7%時(shí)為Ir原子和Ir團(tuán)簇的混合；

達(dá)到12%時(shí)才會(huì)出現(xiàn)XRD可探測(cè)的Ir納米粒子。

實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果表明，α-MoC載體與Ir物種之間存在強(qiáng)的相互作用，使得金屬Ir在高載量時(shí)仍能避免團(tuán)聚，從而在α-MoC表面維持原子級(jí)的高分散。

進(jìn)一步，研究者以喹啉加氫生成1,2,3,4-四氫喹啉為探針反應(yīng)，對(duì)Ir/α-MoC催化劑的加氫反應(yīng)性能進(jìn)行了探究。

Ir/α-MoC催化喹啉加氫反應(yīng)機(jī)理示意圖

文中首先討論了催化劑加氫活性與Ir結(jié)構(gòu)的關(guān)系：當(dāng)Ir實(shí)現(xiàn)完全原子級(jí)分散時(shí)（Ir1, Ir wt%≤4%），催化劑的金屬歸一化活性最高，當(dāng)過高載量導(dǎo)致Ir團(tuán)簇和顆粒形成時(shí)，金屬歸一化活性顯著下降。這表明Ir1是該反應(yīng)活性最高的物種。然而，盡管低載量原子級(jí)分散催化劑的單一位點(diǎn)活性較高，但其活性位點(diǎn)密度較低，使其質(zhì)量活性甚至低于納米粒子型催化劑，而質(zhì)量活性是實(shí)際生產(chǎn)中需要考量的重要參數(shù)。

研究者指出，具有高密度原子級(jí)分散的活性位點(diǎn)才能使催化劑對(duì)某些反應(yīng)同時(shí)獲得較高的金屬歸一化活性和質(zhì)量活性，從而具有更好的應(yīng)用前景。

Ir/α-MoC催化喹啉加氫反應(yīng)活性隨Ir含量變化圖

此外，α-MoC載體賦予Ir/α-MoC屏蔽喹啉中苯環(huán)加氫反應(yīng)的能力。理論計(jì)算結(jié)果表明，喹啉在Ir/α-MoC催化劑上遵循水促加氫機(jī)理，而在Ir/C催化劑上遵循直接加氫機(jī)理，這是二者選擇性差異的根本原因。

該研究為構(gòu)建高負(fù)載量、高熱穩(wěn)定性的原子級(jí)分散催化劑體系提供了一種新的研究思路，也提出了水促喹啉加氫的新機(jī)理。此項(xiàng)工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃和北京市卓越青年科學(xué)家計(jì)劃支持。

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