近日，中國科學院大連化學物理研究所碳資源小分子與氫能利用創(chuàng)新特區(qū)研究組研究員孫劍、副研究員俞佳楓團隊，與日本富山大學教授Noritatsu Tsubaki、大連化物所電鏡技術研究組副研究員劉岳峰等人合作，構(gòu)建了800℃高溫穩(wěn)定的銅基多相催化劑。合作團隊結(jié)合磁控濺射（Sputtering，SP）和火焰噴射（Flame spray pyrolysis，F(xiàn)SP）兩種負載型催化劑制備新技術，分別對金屬銅的電子結(jié)構(gòu)和TiO2載體的可還原性進行重構(gòu)，首次在較低溫條件下構(gòu)建了非貴金屬銅基催化劑上經(jīng)典的金屬載體強相互作用（Strong metal-support interaction, SMSI），進而實現(xiàn)了耐水耐高溫銅催化劑的可控制備。
長期以來，銅基催化劑因其廉價和高活性而被廣泛應用于多種工業(yè)催化反應中。但受限于較低的塔曼溫度，銅納米顆粒極易在300℃以上燒結(jié)聚集而導致失活，限制了其高溫應用。因此，構(gòu)建可穩(wěn)定銅顆粒的保護層，從根本上限制其聚集長大是解決該問題的關鍵技術之一。然而，金屬銅的功函數(shù)較低，并且對氫氣活化能力較弱，較難誘導載體物種向其表面遷移形成包裹，無法像傳統(tǒng)貴金屬一樣在溫和條件下形成金屬載體強相互作用。
該工作中，科研人員通過利用自主開發(fā)的SP技術，改變了Cu的外圍電子環(huán)境，并采用FSP技術，增加了氧化物中晶格氧無序度，分別促進電子轉(zhuǎn)移和載體還原，實現(xiàn)了在300℃較溫和條件下即可形成SMSI。研究發(fā)現(xiàn)，在高溫（550-800℃）CO2加氫（逆水氣變換）反應條件下，該銅基多相催化劑可連續(xù)穩(wěn)定運行700小時，并且未見顆粒長大。該工作實現(xiàn)了銅催化劑上SMSI的構(gòu)筑和調(diào)控，闡明了催化劑表界面上的反應過程和催化機理，為提高銅基催化劑的水熱穩(wěn)定性提供了新策略，有望進一步拓寬銅基催化劑的高溫應用領域。
近年來，孫劍團隊在CO2加氫和先進納米催化材料的制備和新應用方面取得系列成果，采用SP技術（Sci. Adv.，2018；ACS Catal.，2014）和FSP技術（ACS Catal. ，2020；Chem. Sci.，2018；Chem. Comm. ，2021；Appl. Catal. B: Environ.，2016）開發(fā)出與傳統(tǒng)催化劑不同性質(zhì)的催化材料，并應用于加氫、氧化、重整等多種催化反應中。
相關研究成果以Ultra-high Thermal Stability of Sputtering Reconstructed Cu-based Catalysts為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學基金、中科院青年創(chuàng)新促進會、興遼英才青年拔尖人才計劃、大連市杰出青年科技人才計劃、大連化物所創(chuàng)新基金等的支持。
大連化物所實現(xiàn)高溫穩(wěn)定的銅基催化劑的研制
（來源：大連化學物理研究所）