碳纳米管封装铁纳米粒子催化剂上CO加氢制低碳烯烃

由于石油资源的逐步枯竭,近年来费托(F-T)反应因其可以高效将煤、天然气和生物质等转化成液体燃料和高值化学品而越来越受到人们的关注。相比于Co, Ni和Ru等F-T催化剂, Fe基催化剂因其价格低廉,产物分布广而被广泛研究。以合成气直接制备低碳烯烃的F-T过程为例,铁基催化剂通常会因积碳和烧结的问题,而导致失活。因此,人们通常使用一些氧化物载体,比如氧化硅,氧化铝或者分子筛来分散并稳定铁粒子。但是这类氧化物载体通常与铁有非常强的相互作用,特别是在铁粒子较小的情况下,容易生成一些难于还原的硅酸铁和铝酸铁。而活性炭、碳纤维等惰性载体与铁的相互作用较弱,不足以稳定小的铁粒子在而反应过程中聚集。近来,我们组提出了利用石墨烯碳层封装过渡金属粒子作为催化剂,利用“穿透”的金属电子来催化反应,从而可以使活性中心和反应介质隔离,有效地增强了非贵金属催化剂的活性和稳定性。在此基础上,我们组和其他课题组的研究表明,一系列石墨烯碳层封装的非贵金属催化剂在燃料电池阴极氧还原反应,电催化析氢反应,染料敏化太阳能电池中的I3–还原反应以及催化氧化还原反应中都有着广泛的应用前景。这种材料中碳层不仅能在氧化气氛、酸性介质中保护包覆的金属,防止其被氧化或者腐蚀,还与包覆的金属有着较强的相互作用,可以促进非贵金属的电子向碳层表面的转移,有望在一些苛刻的反应条件下实现对贵金属催化剂的替代。本文进一步拓展了其在高温反应中的应用,发现豆荚状碳纳米管封装的金属铁纳米粒子在合成气制备低碳烯烃中可以有效防止金属铁纳米粒子的烧结和聚集,因此表现出优异的低碳烯烃选择性和催化稳定性。我们利用一步化学反应法合成了豆荚状碳纳米管封装的铁纳米粒子催化剂(Pod-Fe),并通过酸洗除去碳管外面裸露的铁粒子。透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)表明酸洗后铁粒子被包覆在碳管内,并且呈金属态,而酸洗前,则还有大量的氧化铁粒子分布于碳管外部(FeOx/Pod-Fe)。将酸洗前后的两个催化剂用于固定床气相F-T反应中。通过调节空速和温度考察了它们的催化反应性能,结果表明两个催化剂在不同的反应条件下都有着良好的低碳烯烃选择性。不同反应温度下,它们表现出不同的变化趋势：Pod-Fe活性随着温度的升高而缓慢增长,至380 oC都没有明显的失活现象;而对于FeOx/Pod-Fe催化剂,随着温度的升高, CO的转化率先升高,在300 oC时达最高,但随着温度进一步升高,活性迅速降低,呈现一个火山型曲线。 TEM结果发现,反应后FeOx/Pod-Fe催化剂粒子上产生了很多杂乱的碳丝,并且铁粒子有着明显的聚集长大。而Pod–Fe催化剂即使在380 oC反应后,其形貌仍然保持完好,没有积碳产生,粒子也没有发生聚集和长大。进一步在320 oC下120 h的寿命试验发现, Pod-Fe催化剂的初始活性较低,但经20 h的活化阶段,活性会先增加后略有下降,20 h后趋于稳定。而FeOx/Pod-Fe催化剂在反应初始虽然表现出较高的活性,但是随着时间进行,活性迅速下降一半以上,最后趋于稳定。同时结合反应后TEM和XRD的结果发现碳管外部裸露的铁粒子会在反应过程中形成碳化铁物种,并随着反应进行产生聚集,并伴有大量积碳,导致活性迅速下降;而碳层的包覆对于铁粒子有着很好的稳定作用,使得铁粒子能够在高温反应中保持稳定,并且没有积碳的产生。由此可见石墨烯碳层可以有效保护其包覆的金属粒子,并且能够提高其在高温反应下的低碳烯烃选择性和稳定性。此类催化剂有望在一些苛刻条件下的多相催化反应中得到广泛应用。     

The rise of two-dimensional MoS2 for catalysis

Two-dimensional (2D) MoS₂ is used as a catalyst or support and has received increased research interest because of its superior structural and electronic properties compared with those of bulk structures. In this article, we illustrate the active sites of 2D MoS₂ and various strategies for enhancing its intrinsic catalytic activity. The recent advances in the use of 2D MoS₂-based materials for applications such as thermocatalysis, electrocatalysis, and photocatalysis are discussed. We also discuss the future opportunities and challenges for 2D MoS₂-based materials, in both fundamental research and industrial applications.     

The rise of two-dimensional MoS<Subscript>2</Subscript> for catalysis

Two-dimensional (2D) MoS₂ is used as a catalyst or support and has received increased research interest because of its superior structural and electronic properties compared with those of bulk structures. In this article, we illustrate the active sites of 2D MoS₂ and various strategies for enhancing its intrinsic catalytic activity. The recent advances in the use of 2D MoS₂-based materials for applications such as thermocatalysis, electrocatalysis, and photocatalysis are discussed. We also discuss the future opportunities and challenges for 2D MoS₂-based materials, in both fundamental research and industrial applications.     

二维材料限域单原子催化剂研究进展

近年来,单一原子或单一位点催化剂因其独特的结构和电子特性受到催化研究人员的广泛关注.目前,多种无机固体材料被用作限域该类单原子催化剂,包括传统的金属氧化物、沸石分子筛以及金属有机框架配合物等.载体的性质会显著地影响单原子的催化性能,因此具有独特物理化学性质的二维材料无疑是限域单原子的一类理想介质,并逐渐引起了人们在该领域的研究兴趣.二维材料兴起于石墨烯的成功剥离,随后其他类似物如氮化硼、氮化碳以及二硫化钼等蓬勃发展起来.结构简单明确且性质独特的二维材料自身就是一类新颖的催化剂,其与单原子的结合将会为催化带来更多新的可能.二维材料限域单原子催化剂的潜在优势如下:(1)二维材料独特的电子结构对单原子中心的电子特性有显著的调变作用,使其催化性能更为独特;(2)二维材料通常具有巨大的比表面积,这允许其锚定更多的单原子从而显著提高其活性位密度;(3)单原子层二维材料有利于反应物分子从双向接触其表面限域的单原子位点,增加碰撞几率并降低传质阻力;(4)二维材料限域单原子催化剂可被视为理想的模型催化剂,其结构均一的活性中心有利于催化剂构效关系的研究;(5)二维材料限域的单原子能够反过来促进或激活二维材料的本征催化活性.在这里,我们总结了二维材料限域单原子催化剂的最新进展,其中二维材料主要涉及石墨烯、氮化碳和硫化钼.我们围绕在二维材料限域单原子催化剂中什么是真正的活性位点及其如何协同催化等问题进行了讨论,进而展望了二维材料限域单原子催化剂的应用前景和挑战.