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基于量子限域效应和双金属协同效应构造二维RhW纳米片实现高效CO2催化加氢

2017-02-14

近日,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室和化学与材料科学学院曾杰教授课题组通过构筑二维RhW纳米片并利用其量子限域效应和双金属协同效应实现高效CO2催化加氢。CO2加氢反应的关键步骤在于CO2活化产生CO2δ-自由基。为此,研究人员通过构筑出超薄二维RhW纳米片,利用其量子限域效应提高了催化剂表面电子的d带中心,增强了催化剂对CO2的吸附;同时双金属协同效应的存在使得Rh上电子富集,促进了CO2活化,有利于提升其CO2催化加氢性能。该成果以“Integration of Quantum Confinement and Alloy Effect to Modulate Electronic Properties of RhW 
Nanocrystals for Improved Catalytic Performance toward CO2 Hydrogenation”为题发表在《纳米快报》上(Nano Lett. 2017, 17, 788-793)。论文的共同第一作者是硕士生张文博和博士生王梁炳。

 

二维RhW纳米片结构及其CO2催化加氢性能

通过CO2催化加氢合成化工产品或燃料,不仅可以在一定程度上缓解全球气候变暖现象,还可以降低人类对化石燃料的依赖,缓和全球日益增长的能源需求。在CO2催化加氢过程中,催化剂对CO2的吸附和活化是至关重要的一步,d带中心是描述催化性能的一个重要指标。理论研究表明,金属纳米催化剂维度的改变会影响电子的空间分布,从而影响催化剂表面d带中心,d带中心越高对CO2的吸附就越强。此外,合金中电负性的差异也会导致电子转移,从而改变催化剂的电子结构。这为研究人员调控金属纳米晶的电子结构提供了思路。

基于此,研究人员设计并构筑出二维RhW纳米片,其在CO2催化加氢反应中表现了卓越的催化活性。相较于Rh纳米颗粒、Rh纳米片、RhW纳米颗粒,二维RhW纳米片催化CO2加氢生成甲醇的转化频率分别是它们的5.9、4.0和1.7倍。在二维RhW纳米片中,量子限域效应的存在提高了催化剂表面电子的d带中心,从而增强催化剂对CO2的吸附。双金属协同效应使得W上的电子向Rh转移,从而作为催化活性中心的Rh上电子富集,在CO2催化加氢过程中,有利于CO2活化成 CO2δ-自由基,还可以增强中间产物的吸附,从而促进中间产物进一步加氢成甲醇。该项研究为通过调控纳米金属纳米晶表面电子状态提升催化性能提供了新的研究思路。

该项研究得到了科技部青年973计划、国家自然科学基金等项目的资助。

(微尺度物质科学国家实验室、化学与材料科学学院、科研部)

附论文链接:

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b03967

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