近日,大連化物所傅強(qiáng)研究員與包信和院士團(tuán)隊(duì)在研究中發(fā)現(xiàn),過渡金屬催化劑與惰性的六方氮化硼(h-BN)載體之間存在經(jīng)典的金屬—載體強(qiáng)相互作用(StrongMetal-Support Interaction, SMSI),并且氮化硼載體在甲烷二氧化碳干重整(DRM)反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。單體硼
01
科普
金屬-載體強(qiáng)相互作用(SMSI)是催化科學(xué)常見現(xiàn)象,指在特定氣氛下,載體會遷移并逐步包裹金屬催化劑,形成的包裹層修飾了活性金屬表面的吸附性質(zhì)和電子狀態(tài),進(jìn)而改變了催化劑的反應(yīng)性能。多數(shù)時候,由于表面活性位被包裹層覆蓋,處于SMSI狀態(tài)下的催化劑會減效甚至失效。
甲烷二氧化碳干重整反應(yīng)(DryReforming of Methane,DRM)可以同時將兩種溫室氣體轉(zhuǎn)化為合成氣(CO+H2),Ni基催化劑兼具率和,但需要解決在嚴(yán)苛和長時間反應(yīng)條件下的催化劑燒結(jié)和積碳的問題。
02
氮化硼載體
六方氮化硼(h-BN)是由類似于石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)依次堆疊起來的,具有十分優(yōu)異的機(jī)械性質(zhì)和化學(xué)及熱穩(wěn)定性,常被用作條件下的保護(hù)層材料。因此在催化研究中,作為載體也被理所當(dāng)然的認(rèn)為是對SMSI效應(yīng)“惰性”的材料。但是研究人員在利用h-BN片層材料負(fù)載金屬Ni納米粒子時發(fā)現(xiàn),催化DRM反應(yīng)40h之后,Ni納米粒子周圍的h-BN納米片表面被刻蝕,出現(xiàn)了許多納米級的小坑,這說明了Ni與h-BN在DRM反應(yīng)氣氛下出現(xiàn)了相互作用過程。
與傳統(tǒng)的SMISI效應(yīng)中的致密氧化物包裹抑制催化反應(yīng)不同,h-BN體系中的SMSI效應(yīng)還具有其性,由于硼元素的氧化物常常處于非晶態(tài)結(jié)構(gòu),并且DRM反應(yīng)的工作溫度(750oC)也高于其熔點(diǎn)。因此,反應(yīng)條件下BOx覆蓋層處于無定形的狀態(tài),并具有很強(qiáng)的流動性,這可能有利于反應(yīng)物分子接觸到金屬表面并被活化。
總 結(jié)
研究人員發(fā)現(xiàn),只有在中等氧化能力的氣氛如CO2和H2O中,才能誘導(dǎo)發(fā)生h-BN被刻蝕的現(xiàn)象。強(qiáng)還原性氣氛(如H2和CO),或者強(qiáng)氧化性氣氛(例如O2)都沒有刻蝕發(fā)生。h-BN體系中的SMSI效應(yīng)還具有的普適性,相似的現(xiàn)象也可以推廣到Fe,Co,Ru和Pt等金屬催化劑中。由此可見,氮化硼作為催化劑載體在特定應(yīng)用場景下!
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