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萬穎課題組在Nature Communications發文為催化劑理性設計提供基礎

發布者:新聞中心發布時間:2019-04-12瀏覽次數:10


近日,我校化學與材料科學學院萬穎教授課題組在Nature子刊Nature Communications上發表題為“Optimising surface d charge of AuPd nanoalloy catalysts for enhanced catalytic activity”的論文,發現了實驗測量的金屬表面d帶電荷密度作為催化活性的描述符,為催化劑理性設計提供基礎。  

催化劑是現代化學工業的基礎。在傳統的“試錯法”中,往往基于催化劑制備-電子結構表征-催化特性測試,多循環“試錯”進行研發。發現標識催化反應活性/選擇性的“描述符”,據此精準設計和調控催化材料表界面電子結構,是催化劑創制和催化理論發展的關鍵問題之一。利用過渡金屬表面d帶中心(d-band center),可以關聯吸附分子在金屬表面上的吸附能或吸附熱,后者通常用作標識化學反應速率的描述符,并基于此進行催化劑篩選。但此類描述符難以用于復雜的催化反應體系且不易被實驗測量。

萬穎課題組利用XPS和XANES技術測量了Pd位點上d帶電荷密度。發現Pd表面d帶電荷密度與由反應物生成活性絡合物的標準熵變(ΔS0*)和催化轉化頻率(TOFPd)之間具有很好的正依存關系,闡明了雜化軌道中未參與金屬鍵的d軌道對吸附絡合物穩定化能和催化活性的決定性影響。此工作的前提是獲得Pd-Au配位數可連續調控的介孔炭載AuPd納米合金,并排除金屬表面偏析、聚集和流失對反應活性的影響。

  

實驗測量的金屬表面d帶電荷密度描述符的發現,突破了理論計算描述符的局限性,有望在較復雜的反應中實現催化劑設計。通過系統研究和體系拓展,將為過渡金屬和合金催化劑的理性設計提供理論基礎。

  

萬穎教授團隊主要研究領域涉及介孔炭載金屬催化劑的理性設計與合成。面向精細化學品合成(如選擇氧化、選擇加氫、C-H鍵功能化等),致力于:(1) 發現實驗測量的催化活性描述符,突破基于理論計算描述符的局限性,為催化劑理性設計和催化理論的拓展提供基礎;(2) 針對Pd催化的C-H鍵功能化反應,精準調控金屬表面電子結構,闡明C-C鍵形成和精準構建機制;(3) 創制穩定的介孔炭載金屬催化劑,解決傳統活性炭載金屬催化易流失、團聚、中毒的難題。本文得到了國家自然科學基金委、教育部、上海市科學技術委員會、上海師范大學資源化學國際合作聯合實驗室和上海高校高峰高原學科的資助。合作者包括上海同步輻射光源/中國科學院上海應用物理研究所王建強研究員,華東理工大學段學志教授、湯焱強同學、付文釗同學及挪威科技大學De Chen教授。


(供稿、攝影:化學與材料科學學院)  


文章網址:https://www.nature.com/articles/s41467-019-09421-5

  


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