金属/金属氧化物纳米粒子在不对称氢化和氢转移反应中的应用研究进展

近年来,金属/金属氧化物纳米粒子催化的不对称氢化和氢转移反应已经成为催化领域的前沿和研究热点之一. 金属/金属氧化物纳米粒子的催化模式类似于“纳米反应器”,底物可以通过有机包覆层扩散至催化中心,局部的高催化剂浓度通常可以极大地提高催化反应转换数（TON）和转化频率（TOF）. 在以纳米金属为催化活性中心方面,Orito纳米铂体系获得最多的关注,科学家们从手性修饰剂的结构改造、催化剂载体的选择、不同的反应介质、纳米催化剂的形貌和催化反应机理等方面开展了较为系统的研究,并取得重要进展. 此外,纳米钯、铑、钌、铱和铁等金属纳米催化剂也在烯烃、酮和亚胺等化合物的不对称氢化和氢转移反应中表现出良好的催化性能,特别是纳米铱和铁催化剂已获得95%以上的对映选择性. 在金属/金氧化物纳米粒子为催化剂载体方面,其催化不对称氢化及氢转移反应的效率及对映选择性可与均相催化剂相媲美,同时还解决了均相催化剂难于回收再循环的缺陷. 本文简要介绍了近年来手性金属纳米催化剂在不对称氢化和氢转移反应领域的研究进展,讨论了相关反应的催化机理,并对该领域仍存在的问题和未来的发展方向进行了展望.     

原子数精确的金属纳米团簇在电催化领域的应用研究进展

金属纳米团簇（M NCs）是由几个到数百个金属原子组成,其尺寸一般小于2 nm。金属纳米团簇在许多催化反应中表现出高的催化活性和选择性,这与金属纳米团簇具有高的比表面积、较多暴露的活性原子,以及与金属纳米粒子（M NPs）不同的电子结构有关。金属纳米团簇确定的组成和结构使其成为一种新型模型催化剂,对纳米团簇的催化性能研究有利于人们深入理解催化剂结构-性质之间的关系,更利于催化剂的理性设计与发展。结合近几年国内外和本课题组在金属纳米团簇电催化领域的研究进展和现状,本文对该领域的代表性工作进行了简要综述,并对其未来在电催化领域的应用前景和需要解决的关键问题进行了展望。     

化学功能化增强贵金属纳米晶电催化性能（英文）

基于电催化过程的可再生和清洁能源的生产、转换和储存技术(如水电解和燃料电池)是缓解全球能源短缺和环境污染问题的有效手段.目前,水电解和燃料电池技术的实际应用缺乏高效、稳定的电催化剂来驱动动力学迟缓的阴极和阳极反应.贵金属纳米晶由于其独特的电子结构和高化学惰性而具有高电催化活性和稳定性.为了提升贵金属纳米晶的本征电催化性能,大量研究聚焦在利用面积效应、晶面效应和不同组分之间的协同效应来调控贵金属的粒径、形貌和化学成分.事实上,贵金属纳米晶的电催化性能也与其表/界面性质密切相关.电催化剂表面的化学功能化可以改变电极/电解质界面结构,从而提高电催化活性和选择性,这对开发新型高效的电催化剂具有重要的理论意义.本文系统介绍了本课题组开发的聚胺(PAM)功能化贵金属纳米电催化剂的合成方法及其在燃料电池和电解池等能源转换装置中的应用,具体包括:通过引入PAM控制反应动力学来调控纳米晶体的结构和形态,构建界面功能化贵金属纳米电催化剂;利用金属表面修饰的PAM分子改变表面催化位点的电子结构、配位环境等物理化学性质来控制反应物和中间体等的吸附行为,从而达到调节催化活性的目的;采用PAM分子来隔离特定活性位...     

催化表面化学

催化表面化学是表面科学和催化科学的交叉研究领域,主要是通过固体表面化学研究在原子分子层次理解固体表面催化作用机制和建立催化剂结构-性能关系.由于固体表面结构的复杂性和不均一性,催化表面化学研究具有极大的挑战性.本文介绍了基于"从单晶到纳米晶模型催化体系"开展催化表面化学研究的创新研究思路,并综述了基于该研究思路取得的催化表面化学系列研究进展,包括建立了氧缺陷控制氧化物表面羟基反应性能的概念,揭示了氧化物催化作用的晶面效应,阐述了金催化作用的结构敏感性."从单晶到纳米晶模型催化体系"催化表面化学研究有望实现"从原子分子水平的基础理解到高效催化剂的设计合成"这一多相催化基础研究目标.     

Co3O4纳米晶表面晶格氧催化氧化CO的理论研究

近年来,纳米科学技术的迅速发展给催化领域,特别是多相催化带来了新的机遇和挑战.科学家们开始着眼于在纳米尺度上对催化剂结构和催化性能进行表征、控制和设计.Co3O4作为一种重要的半导体金属氧化物材料,由于其优异的氧化还原性质,在锂电池、气体传感器以及多相催化领域得到了十分广泛的应用.最近,研究者发现Co3O4纳米晶在催化CO低温氧化和CH4活化等一系列重要反应中表现出显著的反应活性和晶面效应,表明有效设计和合成特定的高活性、高选择性的纳米晶面,对催化领域的发展将具有十分重要的意义.因而,从原子层面对纳米晶所表现出的这种高活性和晶面效应进行深入解释,将为高效催化剂设计提供重要指导.低温CO氧化作为一种重要的催化反应在燃料电池、空气净化与汽车尾气处理中具有重要的应用价值.本文采用密度泛函理论对Co3O4纳米晶催化CO氧化反应的机理、晶面效应以及结构敏感性进行了理论研究.首先,研究了CO在Co3O4(001)和(011)表面Co,CoOo和Co-Ot三种不同位点的吸附扩散行为,发现CO在Co位点表现出较强的吸附行为,但这种吸附构型需要克服很高的能垒(～1 eV)才能转变到Co-O离子对位点,在低温下这种转变将不可能发生,因此我们推断CO在Co位点的吸附对Co3O4催化CO氧化的晶面效应没有显著影响.接着,对CO在Co-O离子对位点抽提晶格氧生成CO2的反应机理进行了研究.我们发现,(011)表面Co-Ot位点可以较强地吸附CO(吸附能-1.15 eV),并十分容易夺取晶格氧离子(能垒0.26 eV),具有很低的势能面,因而其CO氧化活性明显大于(001)面.为了更清楚地理解这种晶面效应和结构敏感效应的本质,我们提出将CO2形成步的过渡态在反应路径上的能级作为反应活性指标.这种活性指标兼顾考虑了CO在Co-O氧位点的吸附覆盖度和CO2形成步的反应能垒,可以近似理解为反应的表观活化能.据此我们得出,Co3O4不同表面不同品格位点催化CO氧化的反应活性顺序为:(011)-Co-Ot＞＞(001)-Co-Oo＞(011)-Co-Oo＞(001)-Co-Ot.由于CO吸附和CO2形成步都涉及到表面被还原的过程,我们因此发现CO催化氧化活性的高低与表面晶格氧位点的可还原性具有正相关性.这种表面不同位点的还原性可以直接通过对空穴形成能的计算获得,降低表面氧空穴的生成能将有利于提高CO氧化的活性.催化设计的终极目标是在对催化活性位点的本质及反应机理深入认识的基础上在原子层面上对催化剂进行可控设计,从而实现催化剂材料的高效、经济的利用.本文研究表明离子对活性位点是Co3O4纳米晶催化CO氧化反应的活性位点,其中阳离子负责对CO的吸附,阴离子则负责CO2的形成过程,这种协同作用实现了Co3O4纳米晶的高反应活性.我们相信,寻找有效的方法在催化剂表面增加离子对位点活性中心的数目是一种实现高性能催化剂设计的途径.     

燃料电池金属间Pt-M合金氧还原催化剂的设计原理及合成方法（英文）

开发用于氧还原反应(ORR)的高性能Pt-M (M=过渡金属)金属间合金催化剂是实现质子交换膜燃料电池(PEMFC)大规模应用的关键.因此迫切需要明确设计和制备具有高ORR活性和稳定性的金属间Pt-M催化剂的一般规则.本文首先概述了无序-有序相变的热力学和动力学基本原理,然后介绍了本课题组在合成L1₀有序结构的Pt-M金属间纳米晶(i NC)方面的研究结果,进一步阐述了提高L1₀-Pt-M燃料电池ORR催化剂的活性和稳定性的有效策略.关于铂基金属间纳米晶的合成,本课题组基于高温相变扩散动力学发展了空位介导原子扩散的方法用于合成全有序铂基金属间纳米晶.铂基金属间纳米晶通常是通过高温退火制得,但该过程中原子的快速扩散会加剧奥斯特瓦尔德熟化和材料烧结,进而导致催化剂活性下降.对纳米晶进行包覆或者限域虽然能够在一定程度上降低高温退火过程中的颗粒团聚,但是原子扩散受限也导致难以获得完全有序的纳米晶.空位扩散是金属纳米晶有序转变过程中的主要扩散过程,可以在退火前驱体中构建Pt/MO_x界面.本课题组发展了空位介导原子扩散促进铂基合金有...     

Co_3O_4纳米晶表面晶格氧催化氧化CO的理论研究（英文）

近年来,纳米科学技术的迅速发展给催化领域,特别是多相催化带来了新的机遇和挑战.科学家们开始着眼于在纳米尺度上对催化剂结构和催化性能进行表征、控制和设计Co_3O_4作为一种重要的半导体金属氧化物材料,由于其优异的氧化还原性质、在锂电池、气体传感器以及多相催化领域得到了十分广泛的应用.最近,研究者发现Co_3O_4纳米晶在催化CO低温氧化和CH_4活化等一系列重要反应中表现出显著的反应活性和晶面效应,表明有效设计和合成特定的高活性、高选择性的纳米晶面,对催化领域的发展将具有十分重要的意义.因而,从原子层面对纳米晶所表现出的这种高活性和晶面效应进行深入解释,将为高效催化剂设计提供重要指导.低温CO氧化作为一种重要的催化反应在燃料电池、空气净化与汽车尾气处理中具有重要的应用价值,本文采用密度泛函理论对Co_3O_4纳米晶催化CO氧化反应的机理、晶面效应以及结构敏感性进行了理论研究.首先,研究了CO在Co_3O_4(001)和(011)表面Co,Co-O°和Co-O~t三种不同位点的吸附扩散行为,发现CO在Co位点表现出较强的吸附行为,但这种吸附构型需要克服很高的能垒(~1eV)才能转变到Co-O离子对位点,在低温下这种转变将不可能发生,因此我们推断CO在Co位点的吸附对Co_3O_4催化CO氧化的晶面效应没有显著影响.接着,对CO在Co-O离子对位点抽提晶格氧生成CO_2的反应机理进行了研究.我们发现(011)表面Co-O~t位点可以较强地吸附CO(吸附能-1.15 eV),并十分容易夺取晶格氧离子(能垒0.26eV),具有很低的势能面,因而其CO氧化活性明显大于(001)面.为了更清楚地理解这种晶面效应和结构敏感效应的本质,我们提出将CO_2形成步的过渡态在反应路径上的能级作为反应活性指标.这种活性指标兼顾考虑了CO在Co-O氧位点的吸附覆盖度和CO_2形成步的反应能垒,可以近似理解为反应的表观活化能.据此我们得出,Co_3O_4不同表面不同晶格位点催化CO氧化的反应活性顺序为:(011)-Co-O~t(001)-Co-O°(011)-Co-O°(001)-Co-O~t.由于CO吸附和CO_2形成步都涉及到表面被还原的过程,我们因此发现CO催化氧化活性的高低与表面晶格氧位点的可还原性具有正相关性.这种表面不同位点的还原性可以直接通过对空穴形成能的计算获得,降低表面氧空穴的生成能将有利于提高CO氧化的活性.催化设计的终极目标是在对催化活性位点的本质及反应机理深入认识的基础上在原子层面上对催化剂进行可控设计,从而实现催化剂材料的高效、经济的利用.本文研究表明离子对活性位点是Co_3O_4纳米晶催化CO氧化反应的活性位点,其中阳离子负责对CO的吸附,阴离子则负责CO_2的形成过程,这种协同作用实现了Co_3O_4纳米晶的高反应活性.我们相信,寻找有效的方法在催化剂表面增加离子对位点活性中心的数目是一种实现高性能催化剂设计的途径.     

负载型纳米金催化剂用于丙烯气相环氧化反应的研究进展

丙烯气相选择氧化制备环氧丙烷是催化领域的难题之一,负载型纳米金催化剂因在氢气和氧气共存条件下对环氧丙烷具有高选择性而被广泛研究,并在丙烯转化率、反应稳定性、氢气有效利用率上都取得了长足的进步。本文综述了负载型纳米金催化剂用于丙烯气相环氧化反应的研究结果和发展趋势。重点阐述了催化剂制备方法、载体材料、金粒径、催化助剂等对丙烯气相环氧化反应的影响。最后,综合各催化剂的优缺点,分析并展望了具有高转化率与高选择性的纳米金催化剂的前景和发展方向。     

Fe-N-C单原子催化剂的C?H键选择性氧化反应

C?H键活化是近年来发展最为迅速的研究领域之一,从自然界中广泛存在C?H键的简单底物为原料,利用C?H键直接活化策略来构建高附加值的化学品是一类具有高原子经济性的化学反应.然而,由于C?H键的稳定性使得C?H键的选择性官能团化过程具有极大的挑战.例如,烃类化合物的C?H选择性氧化生成醇/酮化合物在C1化学以及有机合成反应中占据重要地位,同时C?H键的高解离能以及氧化试剂的高活性往往使得这类反应的选择性难以调控.近日,中科院大连化学物理研究所张涛和王爱琴领导的团队在脂肪族、芳香族烃类化合物的C?H选择性氧化反应中取得新的研究进展.作者使用Fe-N-C单原子催化剂,化学计量的叔丁基过氧化氢为氧化剂,在室温条件下实现了烃类化合物的选择性氧化反应,一系列底物包括带有吸电子基团的硝基(?NO2)、供电子基团的甲氧基(?OCH3)、杂环化合物以及脂肪族化合物(环己烷)均可以高选择性(>98%)实现转化.事实上,Fe-N-C单原子催化剂的活性与选择性可与均相催化剂([Cu((R,R)-BPBP)]+)相媲美,同时该催化剂在绿色水溶剂中表现出优异的循环稳定性.这项工作的另一个意义在于建立起多相催化领域中活性位点与反应性能之间的构效关系.通过HAADF-STEM,XPS,XAS,ESR及穆斯堡尔谱等表征手段,清楚地证明Fe-N-C催化剂中三价铁离子存在多种配位结构(FeNx,x = 4,5,6),催化剂活性与Fe-Nx的特定结构密切关联.C?H键选择性氧化反应的最高活性位点为中自旋FeN5位点,其活性高出低自旋/高自旋的FeN6位点一个数量级,是FeN4位点活性的3倍之多.而该FeN5结构的数量在Fe-N-C-700的单原子催化剂上仅占18%,说明Fe-N-C催化剂的活性具有很大的提升空间.文中报道的 Fe-Nx-C 催化剂可被认为是一类新型的单原子催化剂,其中,Nx基团为一种强有力的配体.由于单原子催化剂兼具均相催化剂孤立均一的活性位点及多相催化剂易于循环使用的优势,单原子催化剂有望成为连接均相催化与非均相催化的桥梁.目前,单原子催化剂已成为多相催化领域一个新的研究热点与前沿.这篇工作中的 FeN5位点与血红蛋白的 Fe中心结构类似,从这个角度出发,FeN5位点为连接酶催化剂与多相单原子催化剂提供了一个很好的案例.然而,FeN5位点周围环境的细微变化都会直接影响其反应活性以及选择性,从而导致多相催化中的FeN5具有较差的O2活化能力.因此,设计更为高效的多相单原子催化剂,实现类似于酶催化中高效高选择性地活化底物分子,仍然具有很大的挑战与空间.     

单原子催化:沟通均相催化与多相催化的桥梁（英文）

催化在现代化学工业中占据着极为重要的地位.催化剂是催化过程的核心.均相催化剂由于具有均一、孤立的活性位点,往往具有高活性与高选择性;但是分离困难限制了其实际应用.多相催化剂由于金属原子利用效率低、活性组分不均匀,活性与选择性相对较低;但其稳定易分离的特点使得目前大多数工业催化过程都是多相催化过程.近年来,单原子催化逐渐成为催化领域新的研究热点与前沿,受到相关研究人员的广泛关注.作为一种多相催化剂,单原子催化剂具有稳定易分离的优势.此外,单原子催化剂具有类似均相催化剂的孤立活性位点,可能具有高活性与高选择.因此单原子催化的概念一经提出,便被认为有望成为架起多相催化与均相催化的桥梁;但几年来并未从实验上得到证实.2016年开始,逐渐有单原子催化剂在经典均相催化反应过程中的应用报道,为该观点提供了实验上的证据.本综述概述了2016至2017年单原子催化剂在典型均相催化反应中的成功应用,包括:1)氢甲酰化反应.以烯烃和合成气为原料合成精细化学品醛类化合物的氢甲酰化反应是目前化工生产中典型的均相催化反应之一.2016年,张涛课题组和曾杰课题组先后报道了Rh/ZnO和Rh/CoO单原子催化剂在该反应中的成功应用.催化剂都表现出优异的催化性能,活性与经典均相Wilkinson’s催化剂相当;2)氢硅加成反应.作为合成有机硅产品的重要反应之一,工业上硅氢加成反应主要由Pt基均相催化剂催化.2016年Beller课题组首次报道了将Pt/Al_2O_3单原子催化剂用于烯烃硅氢加成反应中.该催化剂除表现出良好的催化活性和区域选择性外,还具有较高的稳定性和底物普适性;3)C–H键选择性氧化.烷烃部分氧化反应在学术研究和工业应用方面都有重要意义.刘文刚等将M-N-C单原子催化剂(其中M为Fe,Co等金属)成功应用于C–H键的活化反应中,并对催化剂的结构进行了深入剖析.以上实例表明通过调控金属与载体组合、设计开发合适的单原子催化剂,可以达到结合均相催化高活性、高选择性与多相催化稳定易分离的目的,为均相催化多相化提供了一条新途径,也证明单原子催化可望成为沟通均相催化与多相催化的桥梁.     

Ternary Alkali Metal Transition Metal Acetylides

The first alkali metal transition metal acetylides of general composition A₂M⁰C₂ (A = Na ? Cs, M⁰ = Pd, Pt) were obtained by solid state reactions of alkali metal acetylides with palladium and platinum. They are characterized by chains, which are separated by alkali metal ions. Analogous chains also separated by alkali metal ions are the characteristic structural feature of acetylides of composition AM^IC₂, which are accessible by reacting AC₂H with M^II in liquid ammonia (A = Li ? Cs, M^I = Cu, Ag, Au). Despite their structural similarities they possess different properties, as acetylides of composition A₂M⁰C₂ are semiconductors with very small indirect band gaps and slightly extended C–C distances compared to a C–C triple bond, whereas acetylides of composition AM^IC₂ show a typical salt‐like behavior with C–C distances close to the expected value for a C–C triple bond of 120 pm. But with the help of simple chemical models these differences can be made plausible. Furthermore, it is shown that only by a combination of different methods (powder diffraction with X‐rays and neutrons, solid state NMR spectroscopy, Raman spectroscopy) it was possible to characterize this new class of compounds structurally and chemically.     

Metal/Metal Redox Isomerism Governed by Configuration

A pair of diastereomeric dinuclear complexes, [Tp′(CO)BrW{μ-η²-C,C′-κ²-S,P-C₂(PPh₂)S}Ru(η⁵-C₅H₅)(PPh₃)], in which W and Ru are bridged by a phosphinyl(thiolato)alkyne in a side-on carbon P,S-chelate coordination mode, were synthesized, separated and fully characterized. Even though the isomers are similar in their spectroscopic properties and redox potentials, the like-isomer is oxidized at W while the unlike-isomer is oxidized at Ru, which is proven by IR, NIR and EPR-spectroscopy supported by spectro-electrochemistry and computational methods. The second oxidation of the complexes was shown to take place at the metal left unaffected in the first redox step. Finally, the tipping point could be realized in the unlike isomer of the electronically tuned thiophenolate congener [Tp′(CO)(PhS)W{μ-η²-C,C′-κ²-S,P-C₂(PPh₂)S}Ru(η⁵-C₅H₅)-(PPh₃)], in which valence trapped W^III/Ru^II and W^II/Ru^III cationic species are at equilibrium.     

One-Pot Synthesis of High-Strained Metal Vinylidene and Metal Carbyne

A novel one-pot reaction producing a metal vinylidene structure in a five-membered ring by cyclization of a multiyne has been achieved. The ring strain and the high stability of the cyclic metal vinylidene complexes have been analyzed experimentally and computationally. The metal vinylidene unit in a fused-ring complex is unreactive to both nucleophiles and electrophiles. It reacts however at the nearby carbonyl group achieving the unprecedented conversion of metal tributing factors for the aromaticity-driven process has been studied by DFT calculations.     

Reactions of Metal Salts and Alkali Metal Nitrates. Role of the Metal Precursors and Alkali Metal Ions in the Resulting Phase of Zirconia

Zirconia powders are prepared by reaction of a zirconium precursor with an alkali metal nitrate. The major part of the reactions takes place before the melting points and then the reactions go slowly to completion at 450°C in the molten salts. The roles of the precursor and the alkali metal ion are discussed considering the reaction between two precursors, octahydrated zirconium oxychloride and zirconium tetrachloride, and two nitrates, LiNO₃ and NaNO₃, and some resulting physico-chemical differences. The obtained zirconia powders contain very small amounts of alkali metal ions which act as stabilizing agent. Their effect on the balance tetragonal-monoclinic ZrO₂ depends upon the homogeneity of their distribution which is related to their ability to diffuse inside the bulk of particles and their polarizing power when located mainly on the surface.     

Electrochemistry of Hydroquinone Derivatives at Metal and Iodine-modified Metal Electrodes

IntroductionPlatinumand gold surfaces can adsorb a wide vari-ety of ions, atoms and molecular functional groups,which is often accompanied by oxidation-reduction ordissociation of them. Numerous previous works havemade great progress in studying the surfa…     

金属和金属氧化物热反应的实验探究

报道了有关金属和金属氧化物之间热反应的实验,经研究发现,一种金属都能在高温下夺取另一种金属性比它弱的金属氧化物中的氧,能够将另一种金属从氧化物中还原出来。