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本网讯(记者 陈婉婉)10月26日,中国科学技术大学曾杰课题组与国外学者合作,在《自然》杂志发表文章,报道了最新研究成果——设计并制备出一种“纳米岛”限域的原子级分散催化剂,以“动而不聚”的优势突破了传统催化剂活性和稳定性之间的矛盾,解决了世界催化剂领域的一项难题。
在多相催化中,原子级分散的金属催化剂因具有独特的几何和电子特性、最高的原子利用效率和均匀的活性位点,而备受关注。然而,高度分散的金属原子或因高表面能而移动团聚,稳定性差;或因与载体作用过强而固定不动,导致活性位点钝化。如何获取“动而不聚”的金属活性位点,打破催化剂活性和稳定性的对立矛盾,一直是世界上催化领域悬而未解的难题之一。
鉴于此,课题组研究人员设计出一种“纳米岛”型催化剂,即活性金属原子被隔离在“岛”上,可在各自的“岛”内移动但跨“岛”迁移受阻,进而实现原子的动态限域稳定。
为了实现这一目标,研究人员在设计的模型催化剂中选取和金属作用强的氧化物作为“岛”,作用弱的氧化物作为支撑“岛”的载体。然后开发出一种液相静电吸附的新型合成方法,将金属原子准确地放置在“纳米岛”上。
稳定性研究表明,氧化铈“纳米岛”上的铂原子可以抵抗高达600摄氏度的空气煅烧。铂原子在高温下的氢气氛围中只会限定在“岛”内移动,不会跨“岛”团聚,实现了活性位点的“动而不聚”。经此活化后的催化剂,在催化一氧化碳氧化反应的速率提升两个数量级并兼具高稳定性。
这一工作为突破催化剂活性和稳定性的矛盾提供了新的解决思路。未来,通过选择特定材料的载体、“纳米岛”和活性金属原子,有望将该“纳米岛”类型催化剂应用于不同的催化反应。
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