上海光源XAFS线站用户在原子层沉积设计新型纳米催化剂方面取得新进展

2015/08/31 | 【 【打印】【关闭】 | 访问次数:

中国科学院山西煤炭化学研究所覃勇研究员带领的研究团队,利用ALD技术设计制备出一种多重限域的Ni基加氢催化剂。与未限域的催化剂相比,多重限域的Ni基催化剂对于肉桂醛以及硝基苯的加氢催化反应的活性、稳定性有显著的提高。相关工作于近期发表在《德国应用化学》杂志上(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 9006-9010)。

原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)是一种先进的薄膜沉积技术。利用ALD的技术特点和优势,可设计合成新型高效纳米催化剂,并可精确地调控催化剂的表界面结构。金属—氧化物载体的界面结构强烈影响多相催化剂的性能,因此精确地设计、调控界面结构,对于新型高效催化剂的制备非常重要。该研究团队利用ALD技术,以碳纳米螺旋或者碳纳米管为模板,在模板表面首先沉积NiO纳米粒子,然后再沉积Al2O3纳米薄膜,经过煅烧、还原处理后,得到氧化铝纳米管(ANT)包覆的Ni催化剂(Ni-in-ANTs)。这样的途径使得Ni粒子不仅被限域在氧化铝纳米管中,还被嵌在氧化铝纳米管内壁的凹坑中,称之为多重限域。改变NiO纳米粒子和Al2O3纳米薄膜的沉积顺序,经过煅烧、还原处理,制备出Ni粒子负载在纳米管外壁的未限域催化剂(Ni-out-ANTs)(图1)。大量的表征结果证明,二者具有相同的Ni含量、Ni纳米粒子尺寸、氧化铝纳米管管壁厚度、孔道结构以及Ni还原度。然而,对于肉桂醛以及硝基苯催化加氢反应,Ni基多重限域催化剂的活性远远高于未限域的催化剂。这是由于限域催化剂中的Ni粒子被限域在氧化铝纳米管内壁的凹坑中,具有了更多的Ni-Al2O3界面位点,其金属—载体之间的相互作用更强,促进了氢溢流现象,从而提高了催化剂的加氢反应活性。另外,氧化铝纳米管可以保护限域在其中的Ni粒子,阻止其在反应中脱落、溶释,使得多重限域催化剂比未限域的催化剂具有更好的循环使用稳定性(图2)。该方法具有普适性,可以用来合成其他体系的限域催化剂,用于催化不同的反应,为未来高效纳米催化剂的设计提供了重要的科学参考。

上海光源为该研究提供了重要的技术支撑。课题组在BL14W1-XAFS光束线站获取了Ni元素K边的X射线吸收谱精细结构(XAFS)。高质量的实验数据表明,对于未还原的催化剂,限域催化剂中NiO与Al2O3载体的相互作用更强。还原后,XANES数据证明两种催化剂中Ni的还原度相同(图3)。在该工作中,BL14W1线站科技人员积极参与,在实验和数据处理两个方面提供了专业技术支持,为成果的发表做出了积极贡献。(材料与能源部 供稿)

1 催化剂制备过程示意图

2 多重限域(AB)和未限域(C)催化剂的TEM照片,及其催化肉桂醛加氢反应的活性(D)、稳定性(E)。

3 还原前、后Ni基催化剂的XANESEXAFS 表征。

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