SiC催化CO
2加氫反應示意圖
近日, 中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心和化學與材料科學學院教授曾傑課題組, 以碳化矽體係為研究對象, 發現親疏水性在催化反應過程中起重要作用, 並從原子尺度上解釋了這種作用的 '來源' : 親水性的碳化矽量子點表面富含羥基結構, 可以有效促進二氧化碳分子的活化. 研究成果以Molecular-Level Insight into How Hydroxyl Groups Boost Catalytic Activity in CO 2 Hydrogenation into Methanol為題, 線上發表在Chem上, 論文的共同第一作者是博士生彭鈺涵, 博士生王梁炳和特任副研究員羅其全.
催化反應是在催化劑表面發生的, 通常可以調控催化劑表面的性質來提升催化反應的活性, 選擇性和穩定性. 親疏水性是一個重要的表面性質參數, 過去人們對於親疏水性質的理解基本停留在對底物分子的富集作用上, 例如親水的催化劑表面容易吸附醇類等物種, 而疏水性表面容易吸附酯類酮類等物種. 但這種理解是比較宏觀的, 因此從原子尺度上揭示催化劑表面親疏水性質影響催化反應的本質, 對於設計高效催化劑具有重要指導意義.
研究人員對比商用碳化矽和量子點碳化矽二氧化碳加氫反應活性, 發現親水性的量子點碳化矽在32atm和150oC的條件下, 質量活性 (mass activity) 比同等條件下疏水性的商用碳化矽高出三個數量級. 量子點碳化矽的表觀活化能是 (48.6 kJ mol-1) , 只有商用碳化矽 (94.7 kJ mol-1) 的一半左右. 藉助原位同步輻射X射線光電子能譜和近邊X射線吸收譜等技術手段, 研究人員發現親水性的量子點碳化矽表面富含羥基, 羥基上的H原子可以直接與二氧化碳相互作用形成HCOO*中間物種, 從而直接參与到催化反應過程中. 這種特殊的反應路徑降低了HCOO*形成的活化能, 從而促進了二氧化碳的活化. 基於該認識, 研究人員構築了一系列表面富含羥基的催化劑, 這些催化劑在CO 2加氫反應中的活性比其不含羥基的結構高出一個數量級. 該課題組對親疏水性在CO 2加氫反應中的作用的理解, 突破了人們對於親疏水性的傳統認知, 為今後尋找更高效的CO 2加氫催化劑開拓了新思路.
研究工作得到了中科院前沿科學重點研究項目, 國家重大科學研究計劃, 國家自然科學基金等的資助.
