过渡金属掺杂铈中晶格氧的活化（英文）

采用密度泛函理论计算研究了在铈表面掺杂的过渡金属(TM)离子对表面晶格氧原子活化的影响.为此,测定了经TM离子修饰的CeO_2最稳定(111)表面终端的结构和稳定性.除了保持八面体氧配位的锆和铂掺杂剂外, TM掺杂剂在取代表面Ce离子时更倾向于正方形平面配位.除了Pt(1.14 eV)和Zr(正方形平面配位不稳定)外,所有TM掺杂剂的表面结构从八面体到正方形平面都很容易.通常,四价TM阳离子的离子半径比Ce~(4+)的小得多,从而导致了显著的拉伸应变晶格,并解释了氧空位形成能量的降低.除Zr外,当产生一个氧空位时,优先形成正方形平面结构.热力学分析表明, TM掺杂CeO_2表面在典型环境催化条件下存在氧缺陷.一个具有实际意义的例子是锆掺杂CeO_2(111)中的晶格氧容易活化,从而有利于CO氧化.研究结果强调了晶格氧活化的本质和TM掺杂剂在TM-铈固溶催化剂中的优选位置.     

用于氧还原电催化的Fe-M-N-C基双原子催化剂的研究进展（英文）

实现质子交换膜燃料电池(PEMFC)的商业化应用亟需开发出低成本的高效氧还原(ORR)电催化剂以替代昂贵的Pt基材料.过去十余年,研究人员对由M-N_x活性位点和富缺陷碳质基底组成的热解M-N-C基单原子催化剂进行了深入的研究,以期进一步提高催化剂的性能并降低成本.其中, Fe-N-C基单原子催化剂表现出了较好的催化性能和巨大的应用潜力.近年来人们发现,在单原子催化剂中引入另一种金属原子组成的双原子催化剂具有特殊的几何构型和电子结构,有利于反应过程中原子间相互作用,使催化性能进一步提高.其中,在Fe-N-C基催化剂中引入另一种金属原子组成的Fe-M-N-C双原子催化剂(M代表金属)可以进一步激发Fe-N-C催化剂的本征活性,相关研究也吸引了越来越多的关注.本文综述了Fe-M-N-C基双原子催化剂催化ORR过程的研究进展.首先,讨论了双原子催化剂催化ORR的机制,其中引入的第二种金属原子通过协同和/或调制效应发挥作用.其后,系统总结了Fe-M-N-C的合成方法、表征技术和计算方法,以进一步推动双原子催化剂的研究.再后,根据金属原子之间的相互作用,将双原子催化剂分为Ma...     

Al/Ce和Al/Zr共掺杂Fe_2O_3催化剂用于煤焦油蒸汽催化裂解提质（英文）

蒸汽催化裂化(SCC)为煤焦油的提质提供了一种重要的方法。本研究以Al/Ce和Al/Zr共掺杂Fe_2O_3为催化剂研究了其在反应温度550℃、反应时间1 h下蒸汽催化裂化提质煤焦油的性能。催化剂表征显示掺杂的Fe_2O_3催化剂具有较小的晶粒粒径、较大的比表面积和孔体积。XPS表征表明,晶格氧是主要的活性氧物种,掺杂可以增加O~-的浓度。催化蒸汽裂化结果表明,Al/Ce和Al/Zr共掺杂可以提高Fe_2O_3催化活性。轻焦油(沸点低于360℃)在Fe AlZr1、Fe AlZr2、Fe AlCe1和Fe AlCe2上的产率分别为63. 2%、58. 1%、60. 2%和55. 1%,高于Fe_2O_3上的产率49. 7%。来自水蒸气解离和催化剂中的活性氧共同参与了煤焦油的改质。催化剂的比表面积和O-含量是决定蒸汽催化裂化性能的主要因素。     

双金属Cr-In/H-SSZ-13催化剂上CH_4选择催化还原NO（英文）

天然气(主要成分为甲烷)储量丰富,价格低,随着国内电厂煤改气的进行,甲烷作为还原剂选择催化还原氮氧化物成为电厂烟气脱硝的理想选择,受到广泛关注.In改性分子筛催化剂在甲烷选择催化还原一氧化氮反应(CH_4-SCR)中表现出一定催化性能,而In基双金属被认为是最有前景的CH_4-SCR催化剂.本文通过湿浸渍法制备了分子筛双金属催化剂,并成功应用于CH_4-SCR.我们首先研究了不同分子筛载体、助剂及含量、氧气浓度、甲烷浓度和空速对反应的影响,发现0.5%Cr-2%In/H-SSZ-13在CH_4-SCR中表现出最佳的催化性能:NO转化率90%,N_2选择性99%(反应条件:550°C,6%H_2O,空速75 000/h).从透射电镜照片可以看出,0.5%Cr-2%In/H-SSZ-13催化剂上均匀分布纳米尺寸颗粒,扫描透射-高角环形暗场像元素分布分析表明Cr与In出现在同一个位置,即Cr与In紧密接触.X射线光电子能谱结果表明,与单金属催化剂相比,双金属催化剂中In的能谱发生了明显偏移,Cr与In存在电子相互作用.CH_4-SCR反应活性实验发现,双金属催化剂活性远远超过单金属催化剂活性及其机械混合物,表明Cr的添加可以明显促进In的活性.换言之,双金属催化剂中,Cr与In存在协同催化作用.Cr-In/H-SSZ-13在严苛反应条件下的活性长期保持不变,具有良好稳定性,这与沸石分子筛载体H-SSZ-13的高热稳定性分不开.结合稳态反应与程序升温表面反应结果,可以推测有氧条件下CH_4和NO分别在In和Cr位点上活化.     

Zr掺杂对PdO/Ce_(1-x)Pd_xO_(2-δ)催化剂CO和CH_4催化氧化的影响（英文）

采用溶液燃烧法制备出PdO/Ce_(1-x)Pd_xO_(2-δ)和PdO/Ce_(1-x)Pd_xO_(2-δ)(Pd O/CPZ)催化剂,通过硝酸处理去除催化剂表面的Pd O物种得到对应的Ce_(1-x)Pd_xO_(2-δ)(CP)和Ce_(1-x)Pd_xO_(2-δ)(CPZ)催化剂。考究四种催化剂(Pd O/CP、Pd O/CPZ、CP、CPZ)对CO和CH_4的氧化活性,并计算得出表面Pd O和Pdn+物种的转化频率(TOF)。结果表明Zr的添加对Pd O催化剂上CO和CH_4的催化氧化活性具有不同的影响。Zr的添加对Pd O/CPZ和CPZ催化剂的CO催化活性具有明显的促进作用,前者归因于PdO/CPZ催化剂表面生成了更小颗粒的Pd O粒子,后者归因于CPZ催化剂中含有更多的氧空位。对于CH_4的催化氧化,Pd~(n+)物种起到关键的作用。由于Zr的掺杂导致Ce O2的晶格中Pd物种的含量减少,致使PdO/CPZ催化剂和CPZ催化剂对CH_4氧化活性的降低。     

负载型铈基催化剂在NH_3-SCR反应中的载体效应（英文）

近年来,氨-选择催化还原(NH_3-SCR)技术被公认为是控制燃煤烟气和柴油车尾气氮氧化物(NO_x)排放的最有效手段之一.V_2O_5-WO_3/TiO_2和V_2O_5-MoO_3/TiO_2催化剂在300-400°C范围内表现出优异的脱硝性能和抗H_2O和SO_2中毒性能,因而被广泛用于NH_3-SCR过程.然而,钒基催化剂存在一些缺点,如氧化SO_2到SO_3的活性较高、高温下将部分NH_3非选择性地氧化成N_2O、V_2O_5具有生物毒性等.因此,非钒基脱硝催化剂的研制引起人们越来越多的关注.二氧化铈(CeO_2)因具有氧化还原性能优异、储/释氧能力强和Ce~(3+)/Ce~(4+)转换容易等优点而广泛用于NH_3-SCR反应.然而,单纯CeO_2的脱硝性能并不理想.研究表明,将CeO_2制备成铈基复合金属氧化物催化剂和负载型铈基催化剂可显著提高其在NH_3-SCR反应中的催化性能.尤其是负载型铈基催化剂由于催化性能优异、比表面积大、热稳定性高及活性组分用量少而成为研究热点.众所周知,对于负载型金属氧化物催化剂,载体并不只是惰性材料,它会显著影响表面负载组分的物理化学性质和催化性能.因此,关于载体与组分间相互作用的研究常见诸报道.但是,对于负载型铈基催化剂,具有不同晶相结构的载体对其理化性质和NH_3-SCR催化性能的影响规律尚不明晰.此外,SiO_2,γ-Al_2O_3,ZrO_2和TiO_2是工业上常用的四种催化剂载体,它们具有不同的晶相结构和应用场合,究竟哪一个最适合作为负载型铈基催化剂的载体用于NH_3-SCR反应尚无定论.因此,为了阐明负载型铈基催化剂在NH_3-SCR反应中的载体效应,筛选出最佳的催化剂载体,我们首先采用溶胶-凝胶法和沉淀法合成了SiO_2,γ-Al_2O_3,ZrO_2和TiO_2四个载体,再通过浸渍法制备了一系列负载型铈基催化剂(CeO_2/SiO_2,CeO_2/γ-Al_2O_3,CeO_2/ZrO_2和CeO_2/TiO_2)用于NH_3-SCR反应.并借助于X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、比表面积测定(BET)、X射线光电子能谱(XPS)、氢气-程序升温还原(H_2-TPR)以及氨气-程序升温脱附(NH_3-TPD)等表征手段对上述载体和催化剂进行了较为全面的分析.研究结果表明,这些负载型铈基催化剂的理化性质和脱硝性能强烈地依赖于催化剂载体.首先,CeO_2/γ-Al_2O_3催化剂的表面Ce3+含量明显大于CeO_2/SiO_2,CeO_2/ZrO_2和CeO_2/TiO_2催化剂,有利于氧空位的产生以促进NO分子的解离,进而导致优异的NH_3-SCR反应性能.其次,CeO_2/γ-Al_2O_3催化剂具有最佳的还原性能,有利于NO氧化为NO_2,进而通过"快速NH_3-SCR"途径提升其催化性能.再者,CeO_2/γ-Al_2O_3催化剂表面酸性位最多,能够促进反应物NH_3分子的吸附与活化,从而提高脱硝性能.最后,CeO_2/γ-Al_2O_3催化剂在H_2O和SO_2存在的条件下同样表现出最佳的催化性能,表明其有望用于实际燃煤烟气脱硝.     

原子尺度钴基氮碳催化剂对析氧反应的构效关系的研究（英文）

理解析氧反应(OER)电催化剂活性位点的活性来源是开发高效电催化剂的关键。然而,由于催化剂结构-活性关系的复杂性,发展高效电催化剂仍然是一个至关重要的挑战。本文设计了不同Co-N-C催化剂构型,包括单原子、双原子和团簇,并通过第一性原理计算建立了析氧反应构效关系。结果表明,Co-N₄由于金属中心的高配位数和与所有析氧反应中间体的适中吸附能,表现出最佳反应性,过电位为0.37V。双原子和团簇的活性来源于催化剂自身与反应中间体相结合的高度配位结构。此外,本文基于Co-N₄构型讨论了影响OER活性的其他因素,其中弱金属-金属相互作用可以通过调节Co-O的反键能级优化含氧中间体的吸附降低反应过电位。随后,根据建立的结构-吸附-活性关系,对火山图进行外推,得到CoNi-type4体系OER的过电位为0.23V。本文研究揭示了Co-N-C催化剂OER活性的起源,建立了基于原子尺度的Co-N-C催化剂的构效关系,有助于理解M-N-C基催化剂的高性能,并促进高效OER催化剂的设计。     

Zr掺杂对La（Ba）ZrxCo1-xO3-δ钙钛矿催化N2O分解性能的影响（英文）

采用溶胶凝胶法制备了Zr掺杂的钴基钙钛矿La(Ba)ZrxCo1-xO3-δ,并将其用于航天推进剂领域的高浓度N2O催化分解反应.发现Zr的引入明显提高了钙钛矿La(Ba)ZrxCo1-xO3-δ的催化活性,尤其是当Zr掺杂量分别为0.05和0.2时,LaZrxCo1-xO3-δ和BaZrxCo1-xO3-δ催化剂性能较为优异.应用N2物理吸附、X射线衍射、H2程序升温还原、O2程序升温脱附和氧脉冲吸附技术表征了Zr掺杂对La(Ba)ZrxCo1-xO3-δ催化剂的物化性质的影响.结果表明,Zr掺杂增大了钴基钙钛矿的比表面积,改善了晶格结构,从而提高了钴物种的还原及氧吸附脱附能力,因而催化剂上N2O分解活性增加.     

Co对NiO-BaCO_3催化剂催化N_2O分解的促进影响（英文）

采用共沉淀法制备了一系列CoxBa1.5Ni9催化剂,用于N2O催化分解反应.研究发现,尽管Co加入纯Ni O对反应不利,但在有Ba CO3存在的情况下,Co则能够显著提高Ni O的活性.这是由于Co增强了Ni–O键而对反应不利,但在Ba CO3存在下则大大增加了Ni基催化剂的比表面积及活性位数目.     

钌基催化剂催化的气固相反应（英文）

催化剂被广泛应用于各种化学品的生产,从原子尺度了解整个催化反应体系有利于合理设计新型催化剂.参与气固相反应的催化剂主要有贵金属催化剂和过渡金属催化剂.近年来,Ru基催化剂由于在低温低压下表现出良好的催化活性而广泛应用于一些气固相反应.本文对Ru的基本性质、氧化行为以及Ru基催化剂的理论研究进行综述.介绍了钌基催化剂参与的气固相反应,包括挥发性有机物的催化氧化、一氧化碳优先氧化(PROX)、氨合成、氯化氢氧化以及甲烷部分氧化,分析了催化性能与理化性质之间的构效关系,提出了钌基催化剂在相关反应中存在的问题以及未来发展趋势.Ru具有多种氧化态,在Ru基催化剂参与的气固相反应中,金属Ru和/或RuO_2被认为是活性物种,通常反应温度在400oC以下.Ru(0001)晶面在O_2存在条件下,随着氧气含量的不同会从中间态过渡到氧化态,实验证明该晶面属于RuO_2.理论研究证实了在反应过程中RuO_2的存在,并提出了核壳结构,对于其它气固相反应的机理研究有一定启发.挥发性有机物(VOC)的催化氧化主要集中烷烃、烯烃、芳烃以及卤代烃的催化氧化,催化剂的理化性质包括颗粒粒径、价态和晶体结构等对催化活性有很大影响,并且Ru基催化剂对卤代烃的催化氧化表现出良好的抗卤性,同时多卤代副产物低于其它贵金属体系.Ru基催化剂在低温条件下对PROX具有高的活性和选择性,并且可以有效抑制H_2氧化、CO甲烷化和CO_2甲烷化等副反应发生.氨合成的难点在于N≡N具有很强的解离能,许多研究表明,氨合成使用的Ru基催化剂的催化性能与载体性质密切相关,Ru与载体之间强的相互作用使得电子可以迅速地从载体转移到Ru颗粒上,掺杂其它有效元素可能会提供更多的氧空位和有效防止高温焙烧导致催化剂烧结.对于HCl氧化虽然研究较少,但是Over等人对HCl氧化机理进行了深入研究,并且日本住友化工设计的Ru基催化剂已经商业化.Ru基催化剂可以有效降低甲烷部分氧化的反应温度和压力,并具有高的选择性和稳定性,避免副产物生成.现有催化系统以及新型催化剂开发仍面临诸多挑战,例如:对于单一VOC氧化过程和多元VOCs催化氧化的机理和动力学需要进一步研究;对于氨合成需要寻求具有高电导率的载体,从而将电子快速转移到Ru颗粒表面,使得氨合成在更低温度下进行;为了避免副产物生成,需确保新型Ru基催化剂上PROX和甲烷部分氧化在低温低压条件下进行;Ru基催化剂理化性质对活性的影响以及失活等问题需要进一步研究.     

Pt-CeO_x/CN_xNT催化剂的高稳定性和高效氧还原性能（英文）

通过简便的方法合成出了Pt-CeO_x/CN_xNT催化剂。该催化剂以聚吡咯纳米管碳化后的含氮碳纳米管作为载体,以氧化铈作为助催化剂。实验表明,由于二氧化铈的储氧性能,也由于CN_xNT载体中氮元素的促进作用和其本身独特的一维中空结构,Pt-CeO_x/CN_xNT催化剂的氧还原性能明显高于商业Pt/C。而催化剂优秀的稳定性则源于二氧化铈对Pt纳米颗粒和载体的保护作用。     

单原子催化剂的制备、表征及催化性能（英文）

单原子催化剂(SACs)是指金属以单原子形式均匀分散在载体上形成的具有优异催化性能的催化剂.与传统载体型催化剂相比,SACs具有活性高、选择性好及贵金属利用率高等优点,在氧化反应、加氢反应、水煤气变换、光催化制氢以及电化学催化等领域都具有广泛应用,是目前催化领域的研究热点之一.常见的SACs制备方法有共沉淀法、浸渍法、置换反应法、原子层沉积法以及反奥斯瓦尔德熟化法等.实验及理论研究表明,单原子催化剂高的活性和选择性可归因于活性金属原子和载体之间的相互作用及由此引起的电子结构改变.载体是影响单原子催化剂性能的重要因素之一.目前常用的SACs载体有金属氧化物、二维材料和金属纳米团簇等,本文着重综述了这三种负载型SACs的制备、表征、催化性能及催化机理,并概述了SACs未来可能的发展方向和应用.研究表明,共沉淀法、湿浸渍法和反奥斯瓦尔德熟化法等方法可用来制备氧化物负载的SACs.高角环形暗场像-扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)表明金属是以单原子形式均匀分散在载体上,近边X射线吸收精细结构(XANES)结果表明金属原子与载体之间存在着强相互作用.实验和理论研究均表明该类催化剂在CO氧化反应、水煤气转化及乙炔加氢生成乙烯等反应中具有高的催化活性和稳定性.采用化学气相沉积法和原子层沉积法等方法可以将金属原子稳定地负载在具有缺陷活性位点的石墨烯、MXene及六方氮化硼等二维材料上并相应制备出SACs.X射线吸收精细结构谱(EXAFS)和XANES分析表明样品中金属以单原子形式存在,而且金属原子与载体之间也存在着强相互作用,理论计算表明金属原子与二维载体之间的电荷转移是SACs活性高的主要原因.置换反应法和连续还原法是制备溶胶型SACs的有效方法,其中置换反应法可将活性金属原子原位组装在金属模板团簇的顶点位置,连续还原法可将活性原子负载于金属模板团簇的表面.DFT计算表明活性原子和金属模板团簇之间存在电荷转移效应,这是溶胶型SACs具有非常高的催化活性的主要原因.SACs下一步的研究方向可能是:(1)研究开发新型SACs,尽可能提高催化剂中活性金属原子的含量;(2)深入研究SACs的结构、活性以及催化机理之间的关系;(3)尝试将SACs大规模应用于工业催化.     

模板辅助合成氮掺杂的多孔碳基氧还原电催化剂的研究进展（英文）

氮掺杂的多孔碳材料有望能取代当前普遍应用于质子交换膜燃料电池和金属-空气电池阴极中的贵金属氧还原催化剂,因而备受关注.模板辅助合成技术作为一种可靠、通用的方法已经在多孔碳电催化剂的制备中得到了广泛的应用.在碳基ORR电催化剂中,其ORR活性受到诸多因素的影响,如掺杂剂的浓度及其在碳上的分子掺杂态、孔洞结构、比表面积以及碳基材料的导电性等.本文对近期氮掺杂多孔碳电催化剂的设计、制备、功能化及其在氧还原电催化中的应用研究进展进行了总结,同时展望了模板辅助合成法的一些发展趋势.     

钡掺杂中空磷酸银光催化剂的选择性及稳定性（英文）

半导体光催化材料既可以利用太阳能催化分解水制氢和降解各种有机污染物,同时还可以将温室气体CO2还原成有机低碳烷烃燃料,因此光催化是解决当今能源和环境问题最理想的途径之一.然而,目前所报道的可见光光催化材料大多具有较高的光生载流子复合率和较差的可见光吸收,导致其量子效率较低.因此,开发新型高效可见光光催化材料,拓展半导体材料光谱响应范围以及促进光生电子和空穴有效分离,成为目前光催化材料研究领域急需解决的科学问题.2010年Ye等首次报道了Ag3PO4在光催化中的应用,该材料表现出优异的光催化分解水制氧及降解有机污染物性能,在光吸收波长大于420 nm时的量子效率达到90%.然而,作为一种新型光催化材料,其组成、结构和晶面等对光催化性能的影响尚不清楚.因此,我们开展了Ag3PO4半导体纳米材料的表面微观结构调控研究,创制了一系列具有特殊形貌和选择暴露晶面的Ag3PO4基可见光催化材料,其表现出独特的光催化氧化性能.例如,利用金属络合法制备了具有(100),(110),(111),(221)和(332)等晶面的Ag3PO4晶体,发现通过调控其暴露晶面可进一步提高光催化性能.利用Ag纳米材料所具有的独特表面等离子体共振效应以及良好的导电性,构建了Ag/Ag3PO4核壳型纳米线、项链状Ag/Ag3PO4纳米线、项链状及均匀分布的Ag3PO4/PAN纳米复合纤维等异质光催化材料,提高了光生电子-空穴的分离效率,实现了有机污染物的高效催化氧化消除.然而,由于Ag3PO4在光催化反应过程中的稳定性较差以及成本较高,严重限制了其实际应用.因此,设计和制备具有高稳定性、低成本的Ag3PO4光催化材料成为目前急需开展的研究领域.本文以Ba3(PO4)2纳米片为模板和磷酸离子源,通过阳离子置换法一步制备了具有中空结构的Ba离子掺杂Ag3PO4光催化材料.光催化结果表明,Ba离子的掺杂不但可以有效提高Ag3PO4光催化活性,并且可改变降解有机污染物甲基橙(MO)和罗丹明B(Rh B)的选择性,实现优先降解MO.另外,此法制备的Ag3PO4材料经重复使用多次后仍表现出较高的光催化性能.进一步研究表明,Ba离子掺杂增强了Ag3PO4的表面电负性,因而吸附具有负电性的MO能力增加,使其光催化性能提高,此外,该法还可用于制备Ba3(PO4)2/Ag3PO4复合光催化材料,当Ag3PO4含量为40%时,该复合材料具有与纯相Ag3PO4相同的光催化剂活性.由此可见,通过合理掺杂金属离子及形成复合结构可以有效提高Ag3PO4光催化材料的活性和稳定性,降低Ag3PO4用量,这对Ag3PO4光催化材料的设计与改进具有一定指导意义.     

N/C稳定的单原子Co催化剂（英文）

单原子催化剂(SAC)是多相催化领域一个新兴的研究热点,是指催化剂中活性组分完全以孤立的单个原子的形式存在,并通过与载体作用或与第二种金属形成合金得以稳定.相比于纳米/亚纳米催化剂,单原子催化剂具有诸多优势:(1)活性组分达到最大程度分散(100%),可有效提高金属(特别是贵金属)原子利用率;(2)活性位点的组成和结构单一,可避免因活性组分组成和结构不均匀导致的副反应,从而显著提高目标产物的选择性;(3)单原子催化剂兼具高活性、高选择性和可循环使用的优点,有望成为连接均相催化与非均相催化的桥梁.因此,单原子催化剂为在原子尺度上理解催化机理和构效关系提供了一个很好的平台.2011年,中国科学院大连化学物理研究所张涛院士团队首次合成了单原子铂催化剂Pt1/FeOx.该催化剂通过共沉淀法制备,在CO氧化以及PROX反应中展示出优异的催化性能,其TOF值为相应的纳米催化剂3倍之高.在此基础上,该团队随后发展了一系列贵金属单原子催化剂,例如Ir/Fe Ox,Pd/Zn O,Au/Ce O2和Ag-Pd/Si O2.这些催化剂在水气变换反应、乙炔选择性加氢反应、芳香硝基化合物选择加氢等反应中表现出了优异的催化活性及选择性.尤其是在3-硝基苯乙烯选择性加氢反应中,单原子催化剂Pt1/Fe Ox的TOF值高达1500 h–1,是文献报道最优催化剂的20倍;产物3-氨基苯乙烯的选择性高达99%.在单原子催化剂概念提出的短短几年,它已经成为目前多相催化领域的研究热点,并且发展出许多新的单原子催化剂制备方法.然而,由于单个原子具有较高的表面能,因此目前制备的单原子催化剂负载量往往较低(0.5 wt%).另一方面,目前单原子催化剂的研究对象主要为贵金属,而非贵金属单原子催化剂却鲜有报道.近日,张涛团队在非贵金属单原子催化剂领域取得新的进展.他们成功制备出了负载量高达3.6 wt%的Co-N-C单原子催化剂,并结合密度泛函理论(DFT)和X-射线吸收精细结构(XAFS)技术首次解析出Co-N-C催化位点的精确结构.Co(Fe)-N-C是一类在电催化领域受到广泛关注的材料,在氧还原反应,析氢反应以及CO2电还原反应中均有良好的催化性能,被认为是一种最有希望取代商业Pt/C电极的非贵金属催化剂.然而,由于其组成较为复杂,人们对其活性中心的认识存在诸多争议.Co(Fe)-N-C催化剂通常采用高温焙烧法制备,即将金属前驱体,含N,C配体以及碳载体在600–900 oC高温下焙烧,这往往导致催化剂中同时含有不同尺寸的Co(0),Co Ox以及Co Nx,也含有常规表征手段难以发现的Co(Fe)单原子.张涛团队利用Mg(OH)2作为牺牲载体,制备出了完全单原子分散的Co-N-C催化剂(图1(a)).作者通过原子分辨的高角环形暗场-扫描透射电镜(HAADF-STEM),XAFS和DFT计算,首次证明Co-N-C催化活性中心的结构为Co N4C8-1-2O2.在这种模型中,Co中心在径向方向与4个N配位,轴向有2个弱吸附的氧气分子吸附在Co原子上(图1(b)).与之前报道的贵金属催化剂显著不同的是,在Co-N-C单原子催化剂中,Co含量高达3.6%.值得称道的是,这种Co-N-C单原子催化剂在芳硝基化合物选择加氢制备偶氮化合物的反应中的催化活性和选择性可媲美贵金属催化剂.使用Co-N-C催化剂,在温和条件下即可实现从芳香硝基化合物一锅法绿色合成偶氮化合物,并且该催化剂具有优异的底物普适性,即使底物含有–C=C,–I,–Br等基团时,也可高效生成相应的偶氮苯.这项工作的另外一个意义在于获得了非常均一的Co-N-C活性位组成和结构,这为利用多种表征手段精确解析结构提供了一个很好的切入点.某种意义上讲,之前文献中报道的含有多种Co物种的Co-N-C催化剂,其活性中心的认定需要重新审视.事实上,Co的配合物作为分子催化剂已经广泛应用于均相催化中;而这项工作中的Co单原子通过与N,C配位而稳定,活性中心类似于均相催化剂中的Co配合物,但却形成了真正的多相催化剂.因此我们可以预测,许多过渡金属均相催化剂有可能通过该工作中的单原子制备策略转化为多相催化剂,从而使单原子催化剂真正成为均相催化和多相催化的桥梁.     

Zr的添加对提高NH_3选择性催化还原NO_x整体式催化剂热稳定性的影响（英文）

采用共沉淀的方法制备了Ce Ti O_x和Ce Zr Ti O_x两种用于NH_3选择性催化还原NO_x的催化剂。两种催化剂在不同的高温条件下进行热老化以考察Zr的添加对Ce Ti O_x催化剂热稳定性的影响。NH_3-SCR活性数据显示,经过650、750和850℃的高温老化处理,Zr改性后的催化剂较Ce Ti O_x催化剂具有更好的催化活性和N2选择性。XRD、Raman和H_2-TPR结果表明添加Zr可以阻止Ce物种的烧结并且抑制金红石相Ti O_2的生成。催化剂的SEM图像显示Zr的添加可以抑制颗粒随着焙烧温度升高而产生的聚集长大。XPS的Ce3d光谱表明,随着老化温度的提升,Ce Ti O_x催化剂表面的Ce~(3+)/Ce4+比相对于Ce Zr Ti O_x催化剂下降更加明显。这意味着随着Zr的添加,更多的晶格缺陷和氧空缺出现在Zr改性催化剂的表面,这有利于催化性能的提升。另外,NH_3-TPD结果表明经过相同的高温老化,改性的催化剂保持了更多的Br觟nsted酸性位,提高了催化活性并抑制了氨的氧化。因此,Zr的添加提高了催化剂的热稳定性能。     

用于纳米催化肿瘤治疗的异核双金属原子催化剂（英文）

癌症是威胁人类健康的重大疾病之一.目前,化疗、放疗和手术治疗是三大常规治疗癌症手段,虽然这些治疗技术成熟,但都存在不足,且治疗成本高昂,并使得患者在治疗过程中承受痛苦.因此,开发活性位点丰富、催化效率高、肿瘤组织识别准确的新型抗肿瘤催化材料,利用有限的治疗资源,以最低的毒性取得最佳的治疗效果,成为癌症治疗的研究新前沿.随着纳米材料的快速发展,异核双原子催化剂(HDACs)在保留单原子催化剂的最大原子利用率,活性位点分布均匀,孤立单原子的不饱和配位环境和有利于电荷转移的电子结构等优点的基础上,其两种不同金属原子不仅能提供更丰富的反应活性位点,两者之间还具有独特的协同作用,可以有效突破单原子催化剂的线性限制并优化活性中间物种的吸附能垒和构型,显著提高催化活性和选择性从而获得满意的治疗效果,在纳米催化肿瘤治疗领域展现出巨大的实际应用潜力.本文对HDACs的表征手段、制备方法及其近年来在纳米催化肿瘤治疗领域的应用进行了系统的综述.首先简要介绍了原子水平活性位点的各种表征方法,特别是原位技术,讨论了它们应用的侧重点,并比较了各自的优缺点.其次,由于反应原子的高表面自由能、难以调控的动力学行为以及...     

用于氧还原反应的双原子钴-铁催化剂（英文）

金属-空气电池因其高效率和便携性受到广泛关注.然而,氧还原反应(ORR)的高能垒和缓慢的动力学导致其输出功率低.尽管贵金属铂基材料具有较高的ORR活性,但其在工业上的大规模应用受到高成本的制约.因此,迫切需要以储量丰富的非贵金属为原料,开发具有低成本、高性能和耐用性的催化剂.近年来,单原子过渡金属与氮共掺杂碳材料(M-N-C)成为替代贵金属催化剂的理想材料.理论模拟和实验结果均表明,单原子Fe/Co-N-C催化剂具有良好的ORR活性,其中FeN₄和CoN₄构型被认为是主要活性位点.此外,含有相邻金属位点的双金属单原子催化剂具有加速ORR动力学的巨大潜力.通过对ORR中间体的桥式-顺式吸附,双金属位点可以促进O-O键的裂解,从而提高催化活性.除固有活性外,双金属位点可减少ORR过程中含氧中间体对M-N键的攻击,提高M-N-C对ORR的耐久性和工业应用潜力.因此,近年来,研究者开始探索双金属单原子催化剂的合成和电催化性能,发现Fe-Co, Fe-Mn, Fe-Cu, Co-Zn和Co-Pt双位点可以有效催化ORR.为进一步提高ORR活性,需要合理...     

Pd-Cu-Cl_x/Al_2O_3催化剂对CO氧化的稳定性（英文）

CO催化氧化广泛应用于空气净化、机动车尾气治理和CO气体传感器中.在CO氧化催化剂设计与制备过程中,催化剂与使用环境密切相关.例如工业和机动车尾气净化需要在高温(200–600°C)下进行,而对于半密闭空间(隧道或者地下停车场)空气净化需要在室温和高相对湿度下进行.频繁冷启动导致半密闭空间CO浓度累积而超过排放控制标准,因此制备室温、高相对湿度下CO氧化催化剂是面临的重要问题之一.负载型Wacker催化剂对于CO低温催化氧化的研究一直受到广泛关注.环境中少量水的存在会促进负载型Wacker催化剂对CO的低温氧化性能,但随着水沉积量的增加,活性位点将被覆盖,并且Pd和Cu活性组分之间的紧密结构被破坏,从而导致催化剂的失活,即催化剂的稳定性变差.因此,为了提高催化剂在高相对湿度下的稳定性,利用二乙氧基二甲基硅烷对Al_2O_3载体进行硅烷化处理,以增加载体的疏水性,考察载体疏水改性对CO低温氧化过程中催化剂稳定性的影响.催化剂的稳定性测试结果表明,在0°C,100%相对湿度条件下,未改性催化剂在约20 h内CO转化率由81%下降到50%;载体硅烷化后制备的催化剂在反应进行150 h后,CO转化率仍保持在78%,即反应活性未见降低.由此表明催化剂载体经有机硅烷改性后,可显著增强催化剂在低温、高相对湿度下的稳定性.N_2吸附/脱附和水吸附实验结果表明,载体硅烷化改性并未对催化剂的比表面积产生影响,但显著降低了催化剂上水沉积速度和沉积量,未改性催化剂的初始吸水速度是改性后催化剂的4倍,但改性后催化剂的饱和吸水率仅占未改性催化剂的1/3.X射线衍射结果表明,载体预处理后活性物种Cu2(OH)3Cl晶粒尺寸有所增加.氢气程序升温还原、X射线光电子能谱结果表明,载体硅烷化预处理改善了催化剂中Cu和Pd物种的化学分布及接触状态,增加了与Pd物种紧密接触的Cu物种的量,从而促进了Cu物种的还原.与此同时,载体硅烷化显著降低了催化剂表面Cl离子的浓度,从而影响到对CO吸附.为了进一步研究水与催化剂稳定性之间的关系,采用原位红外漫反射(In situ DRIFT)对催化剂进行表征.负载型Wacker催化剂对CO氧化反应机理为:Pd是CO氧化反应的活性中心,通过Pd和Cu物种之间的氧化还原循环来实现CO氧化,且Pd+比Pd~(2+)具有更高的CO氧化性能.反应气氛中水的存在,有利于CO在Pd~+上氧化、以及金属态Pd被Cu~(2+)物种再氧化的过程,同时水也显著促进了催化剂表面碳酸盐的生成以及抑制了活性物种Pd~+生成.与表面碳酸盐累积相比,水对于活性物种Pd~+生成的抑制作用是导致催化剂活性降低的主要原因.     

单原子催化剂活化氢气:Pt1/WOx催化氢解反应（英文）

单原子催化剂具有独特的结构位点,能最大化利用贵金属原子,在一系列化学转化反应中具有优异的活性和选择性.但单原子的稳定性是单原子催化剂应用的一个挑战,特别是还原气氛下单原子的稳定性,这极大地限制了单原子催化剂在加氢、脱氢和氢解反应中的应用.理解还原气氛下单原子的稳定机制和单原子催化剂活化氢气的反应机理对于扩大单原子催化剂的应用非常重要.Pt/WOx(2Pd>Au.氢气能在Pd和WOx界面非均相解离,而Au/WOx不能活化、解离氢气.我们进一步采用实验表征验证了DFT理论计算的结果.实验合成了WOx负载的Pt、Pd、Au三种催化剂,X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)结果表明,Pt能在WOx表面原子级分散和稳定,而Pd在WOx表面形成较小的纳米颗粒,Au形成较大的纳米颗粒.采用氢气化学吸附研究了三种催化剂对氢气的活化能力,结果表明三种催化剂的氢气活化能力顺序为Pt/WOx(137μmol/g-Pt)>Pd/WOx(43μmol/g-Pd)>>Au/WOx(4μmol/g-Au).将三种催化剂用于甘油选择性氢解制备1,3-丙二醇的反应中,只有Pt/WOx催化剂对甘油氢解具有优异的活性和选择性.从而实验证实了氢气气氛下原位产生的Bronsted酸具有关键作用和Pt1/WOx催化剂具有双功能催化性质.我们的研究不仅解释了还原气氛下金属单原子在氧化物表面的稳定机理,而且对单原子催化剂活化解离氢气提供了新的认识.