南科大谷猛合作团队借助原位环境电镜揭示金属催化剂真实活性表面
2020年04月08日 科研新闻 浏览量 :917

近日,南方科技大学材料科学与工程系副教授谷猛团队联合中科院大连化学物理研究所、上海高等研究院等,巧妙借助原位环境电镜,在真实反应条件下直接观测到NiAu双金属催化剂在二氧化碳加氢反应中的动态过程,揭示了该催化剂在反应中的真实活性表面,为认识催化过程提供了新的思路。该研究发表在《自然-催化》(Nature Catalysis )上。材料系科研助理韩韶波为文章共同第一作者,谷猛为文章共同通讯作者。

近年来,原位环境透射电子显微镜(ETEM)成为了一种重要的表征手段,广泛应用于纳米材料生长、催化反应、电池反应、纳米力学、高温相变等现代材料研究领域。不同于常规透射电镜表征的静态分析,环境透射电子显微技术可以在真实的反应环境中(热/电/磁/气氛)实时研究材料原子级别的动态结构演变及其对性能的影响,为催化反应机理研究提供了更准确的信息。这就像破案时直接调取“监控”而非根据事后的“现场勘测”分析倒推“过程”。

多相催化过程中,催化剂并非静止不变,表面原子受到热振动、气体分子吸/脱附等作用的影响常易发生迁移和重构。因此,常规的非原位分析技术无法准确揭示催化剂的反应活性表面。原位环境透射电子显微镜表征技术以其独特的优势,为研究者提供原子尺度下的反应过程,成为研究催化反应的强有力的工具。

a. 同一NiAu纳米颗粒在不同温度下的原位环境透射电镜图片; b. 催化剂在CO2加氢反应中的活性数据; c. 反应示意图

团队研究了NiAu/SiO2体系催化CO2加氢反应过程,实验结果表明CO产物选择性高达95%,CH4产物选择性不到5%。这个结果不同于以往使用Ni基催化剂的研究中,Ni强大的加氢能力使得催化CO2加氢反应更倾向于生成CH4。静态电镜成像结果表明,该催化剂反应前后均为Ni@Au核壳构型,Ni核心表面包裹2~3层Au原子壳层。因此,团队认为Au壳层的包覆结构是催化加氢反应中高CO选择性的原因。

原位环境透射电子显微镜观测展示了与常规推断不同的催化活性表面。实验表明,在反应气氛和温度下,内核Ni原子会逐渐迁移至表面,与Au合金化;在降温停止反应时,表面Ni迁移回核心部分,重新形成Ni@Au壳型结构。原位红外和原位X射线吸收谱的结果也从宏观角度证实了上述观测结果。团队结合理论计算,提出了新的催化机理。该研究揭示了催化剂真实活性表面,展示了原位电镜在研究构效关系中的重要性,并且为研究金属催化提供启示。

该研究得到了NSFC青年基金的支持,中科院青年创新促进会等项目的资助。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41929-020-0440-2

 

供稿单位:材料科学与工程系

编辑:刘馨

主图设计:丘妍

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