11月8日,中国科学院大连化学物理研究所张涛研究员领导的团队与该所“千人计划”入选者刘景月研究员、清华大学李隽教授合作,在单原子催化研究及应用领域取得新突破:以氧化铁为载体成功制备出单原子铱(Ir)催化剂,并发现相比于亚纳米、纳米铱催化剂,单原子铱催化效率在应用上“以一抵十”,是催化反应最重要的活性位,对催化性能起主导作用,成为催化过程中名符其实的“主角”。
该研究工作发表于国际知名杂志《美国化学会志》,美国知名科技博客媒体ArsTechnica于11月5号对此工作进行评价:“单原子催化剂说明我们对于催化作用的了解还远远不够。只占总含量25%的单原子金属起到75%的催化作用,这将给传统的催化反应过程带来新认识”(Singleatomcatalystsuggestswedon’tunderstandcatalysisthatwell.75%ofreactionsaredueto25%percentofatoms;Byhighlightingtheshortcomingsofaclassicexplanationforcatalyticactivity,newideaswillbegenerated)。
张涛团队多年来致力于航天推进剂肼催化分解的研究。肼催化分解主要应用于航天飞行器姿态控制等领域,所用正是铱基催化剂。该催化剂铱负载量较高,粒子尺寸较大(>2nm)。因此,提高铱的原子利用率一直是催化剂制备的核心问题之一,实现单原子分散无疑能够降低金属用量,提高催化效率,节省催化剂成本。
单原子催化是多相催化领域的新概念,其单一均匀的活性位有可能架起多相催化与匀相催化之间的桥梁。2011年,张涛研究团队及合作者制备出单原子铂催化剂,发现其优异的催化性能,并首次提出“单原子催化”的概念,在国际上掀起了单原子催化研究的热潮。
据了解,在本次的研究进展中,该团队在发现氧化铁载体稳定铂(Pt)单原子的基础上,进一步将其扩展到金属铱体系,成功获得了单原子铱催化剂,并将其应用于水汽变换反应中,揭示了铱单原子不仅是水汽变换反应最重要的活性位,而且在较高温度下也可稳定存在。
单原子催化剂的成功制备不仅在基础科学领域有助于从原子层次认识复杂的催化反应过程,而且对依赖于贵金属催化剂应用的领域,如燃料电池、石油化工、精细化学品生产以及汽车尾气净化等实际应用过程也具有重要指导意义,在单原子催化新概念的指导下,科学家们将来有望开发出一系列低成本、高活性的负载型催化剂。
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