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近日，中國科學院院士、大連化學物理研究所研究員張濤與副研究員楊冰團隊，聯(lián)合上海高等研究院研究員朱倍恩，在動態(tài)金屬催化研究與設計方面取得進展。該團隊通過原位解析不同尺寸的Pd/FeO_x催化劑在CO₂加氫過程中的動態(tài)演變行為，揭示了催化劑結(jié)構(gòu)演變與反應進程之間的“多米諾效應”，為催化劑的高效設計提供了新思路。

在多相催化領域中，動態(tài)碳化作為常見的催化劑重構(gòu)過程，其關鍵調(diào)控因素的識別對催化劑性能優(yōu)化至關重要。然而，在實際反應進程中，反應環(huán)境、反應中間體與催化劑結(jié)構(gòu)演變之間存在錯綜復雜的耦合作用，對原位解析高活性結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)催化劑的理性設計提出了挑戰(zhàn)。

該團隊發(fā)現(xiàn)，大顆粒5Pd-FeO_x催化劑在反應初期受H₂主導，促進金屬載體合金化產(chǎn)生Pd₃Fe合金。該合金表面進一步促進HCOO*反應中間體，導致快速表面碳化，形成高活性Pd₃Fe@Fe₅C₂/Fe₃O₄結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出優(yōu)異的逆水汽變換反應活性。相比之下，小尺寸0.5Pd-FeO_x催化劑由于強金屬載體相互作用，使FeO_x包覆層抑制Fe的還原和碳化過程，導致相對較低的反應活性。而0.05Pd-FeO_x單原子催化劑由于金屬載體電子相互作用，促進CO₂直接解離，并在CO誘導下產(chǎn)生緩慢體相碳化，經(jīng)過20小時誘導期，可將CO生成速率從27 mmol g_cat^-1h^-1提升至42 mmol g_cat^-1h^-1。

上述研究揭示了催化劑動態(tài)結(jié)構(gòu)演化的復雜性及其與反應進程、反應網(wǎng)絡之間的交互耦合機制，闡明了金屬粒徑→反應氣→界面重構(gòu)→反應中間體→動態(tài)碳化→反應產(chǎn)物的鏈式“多米諾效應”。團隊解耦這一復雜動態(tài)過程發(fā)現(xiàn)，相比于尺寸效應和金屬-載體相互作用，合金化過程才是加速催化劑碳化進而提高反應活性的關鍵因素?；谶@一認識，團隊進一步設計出高活性、短誘導期的低載量0.5Pd₃Fe/FeO_x合金催化劑，提升了反應性能及貴金屬利用率，實現(xiàn)了高性能CO₂加氫反應中催化劑的高效設計。同時，該研究強調(diào)了原位解耦催化劑復雜動態(tài)演變的重要性，為發(fā)展原位結(jié)構(gòu)解析驅(qū)動的催化劑理性設計提供了范例。

相關研究成果發(fā)表在《美國化學會志》（JACS）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊計劃等的支持。

論文鏈接

催化劑結(jié)構(gòu)演變與反應進程的“多米諾效應”被揭示