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厦大|郑南峰教授&傅钢教授Nat Nanotech ：利用晶面工程技术加快高度稀释的金属纳米催化剂上的溢出氢化反应
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厦大|郑南峰教授&傅钢教授Nat Nanotech ：利用晶面工程技术加快高度稀释的金属纳米催化剂上的溢出氢化反应

厦大|郑南峰教授&傅钢教授Nat Nanotech ：利用晶面工程技术加快高度稀释的金属纳米催化剂上的溢出氢化反应 科学材料站
2020-08-19
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导读：本工作将单原子分散催化剂与纳米形貌调控有机结合，创造性地构建了结构明确的高效催化体系。并通过理论和实验证实Pd1/Cu(100)可通过溢流加氢实现炔烃选择性氢化，本文在原子尺度上对氢溢流现象提供了清晰


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通讯作者：郑南峰*，傅钢*
单位：厦门大学

研究背景

氢的溢流是非均相催化中众所周知的现象。它涉及在活性金属表面进行H2裂解，然后将解离的H物种迁移到“惰性”载体上。尽管长期以来一直提出使用溢流的H物种进行催化加氢，即溢流加氢，但对于实现溢流加氢需要何种载体结构的知识非常有限。

文章简介

近日，厦门大学郑南峰教授.傅钢教授课题组在国际顶级期刊Nature Nanotechnology (影响因子：31.538) 上发表题为“Facet engineering accelerates spillover hydrogenation on highly diluted metal nanocatalysts”的研究工作。

本工作将单原子分散催化剂与纳米形貌调控有机结合，创造性地构建了结构明确的高效催化体系。并通过理论和实验证实Pd1/Cu(100)可通过溢流加氢实现炔烃选择性氢化，本文在原子尺度上对氢溢流现象提供了清晰且深刻的理解。

该文章共同第一作者为厦门大学 Lizhi Jiang, Kunlong Liu

郑南峰教授和傅钢教授为本文共同通讯作者


要点解析

要点一：Pd1/Cu不同晶面的结构表征和催化性能。

图1.
a.b.Pd1/Cu（111）和Pd1/Cu（100）的TEM图像。
c. Pd1/Cu催化剂和Pd箔在Pd-K edge缘的傅立叶变换EXAFS光谱。χ. EXAFS的相对调制；k，相对于吸收边能量的光电子波数；CN，Pd的配位数；R，径向距离。
d. 不同Pd1/Cu催化剂对PhC≡CH半加氢的催化性能。
e. Pd1/Cu（111）和Pd1/Cu（100）在PhC≡CH半加氢反应中的催化耐久性。研究了不同Pd负载量的Pd1/Cu催化剂上PhC≡CH在1 h内的转化。

要点二：利用DFT计算研究Cu(111)和Cu(100)两个晶面在溢流加氢中的差异

图2.
 a. Pd1/Cu表面三种可能的反应位点。
b. Pd1/Cu（111）和Pd1/Cu（100）表面模型的俯视图和侧视图。
c. 计算了PhC≡CH在两个低Miller指数Cu表面的逐步加氢势垒。星号（*）表示催化剂表面物种的吸附状态。TS1–TS4，逐步加氢的过渡态。
d. 计算了不同Pd1/Cu催化剂上TS1在不同活性中心上的势垒。

要点三：Pd1/Cu（111）上溢流加氢的验证策略和证据

图3. 
a. PhC≡CH氢化和脱附的竞争。
b. 不同Pd1/Cu催化剂上的CO滴定。
c. 研究了Pd1/Cu（111）与不同暴露面纯铜纳米材料物理混合物PhC≡CH加氢反应的反应性。
d. 大量乙烯在Pd1/Cu（111）催化剂上的乙炔气相加氢反应，催化剂中加入不同量的Cu纳米立方体，暴露在Cu（100）面上。

结论

本文证明了溢流加氢具有很强的载体晶面依赖性。当以Cu纳米立方块为载体时，暴露的Cu(100)面可在痕量（ppm级）Pd存在下，对炔烃半氢化反应具有很高的活性和选择性；而同样条件下，以暴露Cu(111)面的Cu纳米片为载体，几乎不具有加氢活性。

这项工作有助于创造一种有效的方法，以50% ppm的含量和极低的Pd负载量来生产具有成本效益的纳米催化剂，以实现具有极高活性和选择性的多种炔烃的半氢化反应。


文章链接:
https://www.nature.com/articles/s41565-020-0746-x
Facet engineering accelerates spillover hydrogenation on highly diluted metal nanocatalysts

导师简介:
郑南峰 厦门大学 教授. 博士生导师
个人简历：
博士（美国加州大学河滨分校，2005）
学士（厦门大学，1998）
博士后（加州大学圣芭芭拉分校，2005-2007）
先后获得美国材料研究学会的优秀研究生(银)奖(2004).美国化学会的无机杰出青年科学家奖(2006).福建省杰出青年基金(2009).国家杰出青年基金(2009).霍英东基金(2009)和中国化学会—约翰威立出版公司青年化学论文奖(2009)。获聘2009年度教育部“长江学者奖励计划”特聘教授。
研究兴趣：
纳米化学；纳米催化；纳米生物；固体结构化学；团簇化学
 
傅钢 厦门大学 教授
个人简历：
厦门大学理学博士（2004）
厦门大学讲师 （2004-2007）
厦门大学副教授（2007-2016）
法国里昂高的师范学院访问教授（2011-2012）
厦门大学教授（2016- ）
研究兴趣：催化反应机理 应用量子化学


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