反应诱导合金催化剂动态表面偏析的原位识别与机制研究
批准号:
22072151
项目类别:
面上项目
资助金额:
64.0 万元
负责人:
杨冰
依托单位:
学科分类:
表面化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
杨冰
中文摘要
反应气氛诱导合金催化剂表面偏析的原位电子显微学表征,对于动态识别反应中催化剂的真实活性相、深入理解其微观催化本质,以及合金催化剂的理性设计都具有重要的科学价值。本项目拟从气氛诱导合金表面偏析机制研究出发,综合运用多尺度原位成像(NAP-STM、ESEM、ETEM)与原位表面分析技术(NAP-XPS、in situ FTIR),系统研究合金原子偏析对单一/多组分气氛的响应与竞争机制。进一步,在反应环境中,运用原位电子显微学方法,识别合金催化剂的表面偏析过程,揭示反应中真实活性相及其局域微结构,建立动态构-效关系。并依托模型催化体系,从原子分子尺度动态理解微观催化机制。结合从纳米颗粒到表面模型催化剂的多尺度原位表征,建立基于动态偏析模型的新机制,实现对现有合金催化理论的动态化修正。
英文摘要
In situ observation of dynamic surface segregation in bimetallic catalysts during reaction is of significant merit in identifying the real active structure in a working catalyst, understanding the fundamental reaction mechanism and pursuing the rational design of new catalyst materials. Herein, we propose a systematic study on the reaction driven segregation on alloy catalysts by utilizing multi-scale in situ microscopies including NAP-STM, ESEM and ETEM, along with various in situ surface characterizations such as NAP-XPS and in situ FTIR, in order to reveal the underlying mechanism and dynamic behaviors of adsorption/oxidation induced segregation. Furthermore, employing ETEM and NAP-STM, we will directly visualize the dynamic segregation of bimetallic catalyst under reaction condition and resolve the atomic structure of the real active sites during reaction, as to establish the structure-reactivity relationship based on dynamic structural evolution. Accordingly, a model catalyst study on alloy surfaces will be carried out to elucidate the reaction mechanism at an atomic/molecular level. By combining the multi-scale study of both binary nanoparticles and model catalysts, we are proposing a dynamic segregation effect in bimetallic catalyst as a supplement to the current theories of alloy catalysis from the dynamic point of view.
本项目发展了基于显微-谱学技术耦合的多尺度原位表征方法,以Pd基合金催化剂为主要研究对象,系统研究了气氛、助剂对合金原子偏析的动态影响;并结合单晶表面模型体系,揭示了气氛-金属竞争作用主导的合金动态偏析普适性机制。在反应条件下,原位识别Pd基、Ni基合金催化剂的动态偏析结构及相变过程,明确反应环境的动态耦合作用,揭示真实活性相与动态构-效关系。在此基础上,结合理论计算,实现了催化剂结构的大规模筛选和精准预测,并提出气氛干预与调控策略,实现高性能合金催化剂的设计与开发。主要研究成果如下:.(1)以PdM(M=Fe,Zn,Ga)合金为研究对象,揭示气氛环境对合金偏析的动态作用,建立了气氛-金属竞争作用主导的普适性机制,揭示反应气氛、反应产物及反应中间体的动态耦合作用,实现PdM合金结构的动态调控。.(2)原位识别NiMo合金表面的动态偏析过程,明确原位形成的Mo1-3原子簇对甲烷CO2重整反应的重要贡献,结合反应网络搜素,提出反应中间体吸附能作为描述符,实现NiM(M=Mo,Ru,Rh,Pd)合金催化剂的大规模筛选和精准预测。.(3)结合原位谱学与电镜技术,原位识别了NiCoS合金催化剂的表面S原子偏析与迁移过程,揭示原位形成的界面原子-空位对在HER反应中的高活性,成功实现>400小时高稳定性海水电解制氢催化剂的设计开发。.(4)提出气氛干预及调控策略,成功开发了Ni9Mo1、PdGa5、Pd3ZnCx等一系列新物相合金催化剂,实现CO2选择加氢、乙炔选择加氢反应等选择加氢反应性能的大幅提升,活性、选择性、稳定性等相关技术指标均领先现有催化剂,具备工业化应用的潜力。.至该项目实施以来,以通讯作者发表基金标注论文15篇,包括Nature Commun. 2 篇、Chem 1 篇、JACS 1 篇、Angew. Chem. 1 篇、ACS Catal. 3 篇、Chin. J. Catal. 2 篇、Adv. Sci. 1篇、J. Phys. Chem. Lett. 1篇、Chemcatchem 1篇等;授权中国专利2项、申请中国专利1项。多项成果获国内外多家主流科技媒体亮点报道,并被多篇综述性文章大篇幅报道评述。执行本项目发展的气氛干预和调控策略,将为高性能合金催化剂的设计提供新途径。
单原子-分子筛界面结构表征与甲烷低温活化调控
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批准号:21872145
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项目类别:面上项目
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资助金额:66.0万元
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批准年份:2018
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负责人:杨冰
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依托单位:
国内基金
海外基金