原子层沉积技术沉积的FeOx包裹层显著提高Pd/C催化剂在甲酸分解放氢反应中的催化活性

Hydrogen generation from formic acid (FA) has received significant attention.The challenge is to obtain a highly active catalyst under mild conditions for practical applications.Here atomic layer deposition (ALD) of FeO_x was performed to deposit an ultrathin oxide coating layer to a Pd/C catalyst,therein the FeO_x coverage was precisely controlled by ALD cycles.Transmission electron microscopy and powder X-ray diffraction measurements suggest that the FeO_x coating layer improved the thermal stability of Pd nanoparticles (NPs).X-ray photoelectron spectroscopy measurement showed that deposition of FeO_x on the Pd NPs caused a positive shift of Pd3d binding energy.In the FA dehydrogenation reaction,the ultrathin FeO_x layer on the Pd/C could considerably improve the catalytic activity,and Pd/C coated with 8 cycles of FeO_x showed an optimized activity with turnover frequency being about 2 times higher than the uncoated one.The improved activities were in a volcanoshape as a function of the number of FeO_x ALD cycles,indicating the coverage of FeO_x is critical for the optimized activity.In summary,simultaneous improvements of activity and thermal stability of Pd/C catalyst by ultra-thin FeO_x overlayer suggest to be an effective way to design active catalysts for the FA dehydrogenation reaction.     

原子尺度上的异质催化

现实中的催化剂是个相当复杂的系统体系，且为粉末状，限制了多种表面科学表征手段的应用,科学家通过建立简化的催化剂模型，充分利用目前多种有力的科技分析手段，如扫描隧道显微镜（STM）、透射电镜（TEM）、光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外吸收谱（FTIR）、电子能量损失谱（EELS）等，直观地在原子尺度上研究催化反应的机理，从而使得人们能够设计出选择性能更高、催化性能更好的催化剂．     

Pd修饰Cu电极的电化学CO2还原

利用微分电化学质谱和电化学原位衰减全反射红外光谱技术探究了Cu和CuPd催化剂上CO₂和CO的电化学还原行为. 红外光谱观察到了生成甲醇、甲烷与乙烯的CH_x中间物种. 在CuPd电极CO₂还原过程中，红外光谱的CO吸附峰起始电位比Cu正移大约300 mV，说明CuPd能够有效促进CO₂还原；CO饱和溶液中，Cu和CuPd电极CO起始吸附电位基本相同；两电极上CO谱带出现的电位与CO₃^2-的谱带降低的电位基本相同，说明CO的吸附需要CO₃^2-的脱附. 利用电化学在线质谱发现在CuPd电极上CO还原产生CH₄和CH₃OH的起始电位比Cu电极正移约200 mV. 推测催化活性的提升可能是由于Pd的引入改变了Cu的d能带，且Pd吸附更多的H，从而促进CO₂还原，使CO能够与H结合并被深度还原.     

用于纳米体系电学及电光性质测量的原子分辨的四探针扫描隧道显微镜

本文介绍一套超高真空环境下的四探针扫描隧道显微镜。每个探针均可以独立的在纳米尺度上精密移动并可以进行扫描显微。此系统可以容易地操纵低维纳米体系并用四探针技术测量其电学性质。仪器可以进行不同温度（30~500开尔文）、不同磁场强度（0~1000高斯）、不同环境气氛的测量，同时还可以获得样品的阴极发光谱。对一些纳米线的试验的结果显示此系统是一个在纳米尺度探索电子输运性质的强有力的工具。     

Pd/FeOx催化剂动态生成Pdδ+-Fe2+界面高效催化逆水煤气变换反应

通过一系列原位、非原位表征,包括透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、程序升温解吸/还原/氧化(TPD/TPR/TPO)、X射线光电子能谱(XPS)等,系统地研究了Pd/FeOx催化剂的逆水煤气变换反应(RWGS)。以Pd(acac)2为前驱体合成了高度分散的Pd/FeOx催化剂,在400℃下,RWGS的CO2转化率高达29%,CO选择性超过98%,在目前文献中报道的催化剂中处于领先水平。通过原位表征方法,我们进一步研究了Pd/SiO2和Pd-Fe/SiO2,并明确指出了Pd-FeOx界面对促进RWGS反应的重要作用。准原位XPS实验进一步揭示了Pd/FeOx界面上动态形成的Pd^δ+-Fe^2+物种是高效催化C=O离解的活性位点。因此,实验结果证明,反应过程中动态形成的Pd^δ+-Fe^2+界面可以显著提高RWGS的活性和选择性,对CO2吸附、C=O解离和CO脱附都起到的促进作用。     

酸性Al2O3层包裹Pt纳米颗粒:增强的金属-酸性双功能协同效应提高其甘油氢解反应催化性能

同时含有金属和酸性位点的双功能催化剂已广泛用于石油加氢裂解和可再生生物质转化中.这两种位点之间的距离对双功能协同作用起着至关重要的作用,进而影响催化剂的活性与选择性.近年来,由生物质转化生产生物燃料和化学品得到了广泛的关注.相比于石油裂解工艺,金属-酸性位点临近效应在生物质转化反应中鲜有报道.甘油是来自生物柴油生产过程中的廉价副产物(约总产量的10%).通过选择性氢解将其转化为具有高附加价值的化学品如1,2-丙二醇和1,3-丙二醇,这是提高其附加值的主要途径.甘油氢解包含脱水与加氢两个过程,分别发生于酸性位点与金属位点上.根据文献报道,Lewis酸位点倾向于进攻甘油端位的羟基,生成中间产物丙酮醇,而Br?nsted酸则更易进攻甘油中间位的羟基产生3-羟基丙醛;随后两者进一步加氢分别生成1,2-丙二醇和1,3-丙二醇.负载型金属催化剂广泛应用于甘油氢解反应中,在金属催化剂中添加酸性助剂能显著提高催化剂的活性.大量研究表明,无论是将酸性物种添加到金属颗粒表面或者是载体上甚至是简单的物理混合,均能有效提升催化剂的催化性能.然而据我们所知,金属-酸性位点之间的临近效应还未在甘油氢解反应中报道过.本文利用原子层沉积技术(ALD)在Pt/Al2O3催化剂表面精确沉积了一层酸性多孔的氧化铝包裹层,同时提高了Pt催化剂的活性与1,2-丙二醇选择性;我们进一步通过高分辨透射电镜(HRTEM)、一氧化碳吸附漫反射红外光谱(CO DRIFTS)、吡啶DRIFTS等手段研究了Al2O3包裹层造成催化活性提升的原因.30个ALD周期氧化铝包裹后的催化剂具有最高的活性与选择性,HRTEM观测到催化剂中的Pt纳米颗粒的尺寸为7 nm,氧化铝包裹层厚度为3.6 nm.与未包裹的Pt/Al2O3催化剂相比,沉积在Pt纳米颗粒上的酸性Al2O3与Pt颗粒形成更多的金属-酸性位点界面,从而提升了Pt与Al2O3酸性位点的亲密性.由于生长的氧化铝薄膜与载体氧化铝为相同物种,因此催化剂包裹前后总体的酸度并未发生明显改变,与吡啶化学吸附实验结果相一致.TEM测试发现,氧化铝包裹层在催化反应测试后会发生部分脱落.CO DRIFTS结果同样表明,随着反应时间的增加,Pt上CO的吸收峰逐渐增强,再次证实了Pt颗粒表面包裹层的脱落;但还发现一个位于1963 cm?1的新CO吸附峰.该峰可归属于吸附于Pt与Al2O3包裹层界面的桥式CO.此外,我们对其丙酮醇中间产物做了加氢反应的对比实验.结果表明Al2O3包裹层对Pt的加氢性能并未增加,说明甘油氢解反应的速控步骤是脱水.因此,我们初步认为,Al2O3包裹对甘油氢解反应活性的提高是通过其酸性而促进甘油脱水反应所致.我们还研究了Pt尺寸效应对甘油氢解反应的影响,发现小颗粒Pt对1,2-丙二醇的选择性比大颗粒更高,而活性更低,这表明甘油氢解是一个结构敏感反应.因此,Al2O3包裹层对1,2-丙二醇选择性的提高可能是由于几何效应造成的,Pt颗粒表面被Al2O3包裹层分割为许多Pt聚集体,类似于减小颗粒尺寸,从而提高了反应选择性.     

亚纳米厚的氧化铝包裹层可以显著提高负载型金纳米颗粒催化剂的热稳定性

负载型金纳米颗粒催化剂在许多催化反应中展现出非常好的催化活性,但是金纳米颗粒在高温等反应条件下容易烧结团聚,极大地限制了金催化剂的应用。利用原子层沉积技术在Au/TiO₂催化剂表面分别精确沉积了一层超薄的二氧化钛和氧化铝包裹层,并对比研究了包裹层对金纳米颗粒的热稳定性影响。原位红外漫反射CO吸附和x-射线光电子能谱数据证实了氧化物包裹层的存在。发现亚纳米厚的氧化铝包裹层能够在600 C完全避免金纳米颗粒的团聚;相反,二氧化钛包裹层对金纳米颗粒稳定性的提高没有明显效果。通过CO氧化探针反应的活性测试,发现随着煅烧温度的升高氧化铝包裹的Au/TiO₂ 催化剂的活性逐渐提高,表明高温处理可以促进被包裹金原子的暴露并表现出催化活性。提供了提高金纳米颗粒稳定性的有效方法,为拓展金催化剂在条件苛刻的反应中的应用奠定了技术基础.     

扫描隧道显微镜功能化针尖对分子能级的选择成像

文章提出了一种通过修饰STM针尖使其功能化，调节扫描隧道显微镜（STM）的扫描偏压范围，实现对分子能级的选择性成像的方法．二萘嵌苯分子在Ag（110）表面上自组织形成的有序单层膜主要是通过分子的π电子态成像，而被二萘嵌苯分子修饰的STM针尖的能级失配于基底上吸附的分子的能级，从而只对分子的部分能级成像．这个结果为有机界面电子输运测量提供了一种更好的能级选择方法．     

通过FeOx修饰Pd/Al2O3催化剂提高催化1,3-丁二烯加氢活性和选择性

石油脑裂解制备的烯烃流中通常含有 ～1％ 二烯烃或者炔烃,其含量必须降低到10 ppm以下以避免其对下游聚合催化剂的毒化作用.对这些副产物选择性加氢生成单烯烃是降低其含量最有前景的方法.Pd基催化剂具有高的加氢活性和选择性,是目前最为常用的加氢催化剂,但是它也存在高转化率下选择性较低和容易因积碳而失活的问题.合成Pd基双金属催化剂和对Pd催化剂进行氧化物包裹是目前最为常用的方法,但是这两种方法往往在提高选择性的同时,降低了Pd催化剂的加氢活性.本文利用原子层沉积(ALD)FeOx修饰Pd/Al2O3催化剂,在提高Pd催化剂选择性的同时,1,3-丁二烯选择性加氢活性也得到提高.表征结果发现,该样品中Pd负载量为1％,Fe负载量则随着原子层沉积FeOx周期增加而逐渐增加;催化剂中Pd颗粒大小约为7 nm,其表面并未观察到FeOx覆盖层;Pd,Fe元素分布表明FeOx在Pd颗粒表面生长.CO红外漫反射光谱也发现,随着ALD FeOx周期的增加,CO在Pd颗粒表面的吸附特征峰强度逐渐降低,表明FeOx逐渐覆盖Pd颗粒表面;与此同时,随着FeOx包裹周期的增加,CO吸附在Pd(111)面的特征吸收峰相对于其吸附在边角位的特征峰,降低得更为明显.这表明FeOx优先覆盖Pd(111)面,而选择性地将Pd低配位点暴露,与ALD Al2O3包裹Pd颗粒的结果恰恰相反.X射线光电子能谱分析表明,在所有催化剂中Fe均以+3价形式存在;同时,因为Pd-FeOx间存在强相互作用,所以随着FeOx包裹周期的增加,金属态Pd逐渐向高结合能方向移动,使表面Pd处于缺电子状态.随后,我们对不同FeOx周期包裹Pd催化剂进行了1,3-丁二烯加氢活性测试.在25 oC时Pd/Al2O3催化1,3-丁二烯转化率为6.7％;随着温度升高,转化率逐渐上升,至43 oC时达100％.相反,在26 oC时,30Fe/Pd/Al2O3对1,3-丁二烯的转化率为45％,远高于Pd/Al2O3催化剂;这可能是因为缺电子的Pd或Pd-FeOx界面存在所致.Pd/Al2O3催化剂在较低的转化率(<75％)下,1-丁烯、反式-2-丁烯和顺式-2-丁烯选择性分别为74％,20％和6％;随着转化率的增加(75％～90％),1-丁烯选择性急剧下降,丁烷选择性快速上升,反/顺-2-丁烯选择性也略有增加,表明此时次级反应1-丁烯加氢占主导,同时伴随着1-丁烯异构化反应;当转化率继续增加(>90％),1-丁烯,反/顺-2-丁烯加氢生成丁烷为主要反应,此时丁烷选择性急剧上升,至转化率为99％时,丁烯选择性仅为52％.而当Pd催化剂表面存在FeOx时,丁烯选择性随着FeOx周期增加而逐渐增加,尤其是在较高转化率下(>75％);对于30Fe/Pd/Al2O3催化剂,转化率为99％时,丁烯选择性高达95％.这主要是因为在高转化率下,FeOx将Pd颗粒表面分割成较小的Pd团簇,降低了Pd颗粒表面吸附氢气浓度,抑制了丁烯加氢反应,而次级反应1-丁烯异构化占主导,使得丁烯选择性不变.