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中科大对热稳定单原子催化剂提出合理构建:从原子结构到实际应用

前瞻网 2022-01-12 16:54

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催化剂参与了80%以上的工业生产过程,如化工生产、能源转换、制药和废物处理。为了满足日益增长的生产需求最大化经济效益,开发高效、稳定和低成本的新型催化剂已成为当务之急。

作为催化剂领域的一个新领域,单原子催化剂(SAC)提供了最小的活性单位和最高的金属原子利用率,可以带来更高的经济效益。同时,原子的微观结构可以被合理地修改,使科学家能够控制活性位点的几何结构和电子结构,从而调节催化剂的活性。然而,单原子催化剂在实际的热催化应用过程中经常会出现烧结。因此,从原子结构上进行合理设计以获得热稳定的单原子催化剂就显得尤为重要。

最近,由中国科技大学吴远教授领导的研究小组对热稳定单原子催化剂的合理构建和实际应用进行了回顾。为了制造热稳定的单原子催化剂,研究员深入了解单个金属原子和支撑物之间的相互作用,这是理解单原子催化剂热稳定性的基础。在外部条件(如高温)的干扰下,物理作用(如静电作用)通常不能抑制金属原子的迁移和聚集。相比之下,通过强配位性相互作用或表面晶格重构来构建金属原子和支撑物表面之间的化学作用,更有可能获得热稳定单原子催化剂。在此基础上,该研究结合近年来的研究成果,总结了一系列热稳定单原子催化剂的合成方法,如高温热解、高温迁移等。

在实际应用方面,该研究结合新的原位表征技术和计算方法,研究了热稳定单原子催化剂在热催化过程中的催化机制,如在CO氧化、CH4氧化、选择性加氢反应等过程中。

为了满足热催化的基础研究和工业应用的需要,提高单原子催化剂的活性位点密度和实现大规模和简便的制备是目前的两大挑战。在这方面,科学家认为,合理设计金属原子的配位结构是非常有必要的,这对改善和优化热稳定单原子催化剂的催化性能有很大帮助。利用新型的原位表征技术,研究人员可以更清楚地观察到合成和催化反应过程中的动态变化,从而制备出相应的改良型催化剂。为了实现热稳定单原子催化剂的商业化,大规模、方便制备热稳定单原子催化剂是另一个研究方向。

研究员表示,如果能够克服这些挑战,可以预见,单原子催化的发展将翻开新的一页。

该研究论文题为'Rational construction of thermally stable single atom catalysts: From atomic structure to practical applications',已发表在《催化学报》期刊上。

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责任编辑: 4161HSS

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