Nature子刊纳米金属氧化物界面助力低温乙炔半氢化
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论文DOI： https://doi.org/10.1038/s41467-021-25984-8
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金属/氧化物界面对于多相催化具有重要意义，因为看似＂惰性＂的氧化物载体可以通过界面调节金属催化剂的形貌、原子和电子结构。尽管界面效应在块状氧化物载体上得到了广泛的研究，但对于团簇级纳米系统，仍然缺乏更深入的了解。作者在此证明了由混合 Pd/Bi 2 O 3 簇集合构建的纳米金属/氧化物界面的本征催化作用。该界面可以通过简单的逐步光化学方法制造。作者结合电子显微镜和微量分析阐明了Pd/Bi 2 O 3 簇的杂化结构。其中，Pd-Pd 配位数较小，更重要的是，由于Bi 2 O 3 簇中Bi 端和 Pd 之间的异质接枝，实现了Pd-Bi 空间相关性。纳米金属/氧化物界面与 Pd 之间的簇内电子转移显著削弱了乙烯吸附，且不会影响氢活化。因此，在温度低至 44 C 的加氢过程中，可以实现 91% 的乙烯选择性和 90% 的乙炔转化率。
背景介绍
金属/氧化物界面对多相催化具有重要的基础/实际意义，因为它提出了关于强金属-载体相互作用的基本问题，并在几个催化过程中发挥关键作用。从结构的角度来看，金属/氧化物界面由在化学成分、键合特性、晶格参数以及电气和机械性能方面不同的组分构成，其中粘附结构和化学性质是一个引人注目的研究课题。而从功能的角度来看，金属/氧化物界面处的化学键合和相关的电荷转移可以调节金属的形态、尺寸和电子结构，以优化反应中间体的键合强度从而获得更好的催化性能。在过去的几十年中，在金属/氧化物界面的结构解析和调控方面取得了相当大的进展，这些界面通常采用本体氧化物载体来促进金属的成核、吸附或沉积。此外，纳米金属/氧化物界面，由金属和氧化物簇之间的异质接枝形成，也有希望加强结构和电子效应，以实现更好的催化性能。然而，由于此类杂化簇的化学合成和结构解析面临巨大挑战，因此对纳米金属/氧化物界面的了解有限。
作为经常使用氧化物负载的金属催化剂的代表性反应，乙炔选择性加氢生成乙烯需要在高催化活性和选择性的两个要求之间进行权衡：氢的易活化与乙烯的弱结合。尽管 Pd 基催化剂取得了重大进展，但这两个参数的同时优化仍然具有挑战性，尤其是在 H 2 和 C 2 H 4 大量过量的前端过程中。为了达到这个目标，需要对 Pd 的几何和电子结构进行复杂的调控，这促使人们设计金属/氧化物界面。大多数 Pd/氧化物催化剂，主要为负载 Pd 纳米颗粒或孤立的 Pd 原子。不幸的是，Pd 纳米粒子在低温下可以有效地激活氢气，但它们与乙烯的强结合有利于乙烯连续氢化成乙烷。孤立的 Pd 位点催化剂，包括 Pd 单原子催化剂和 Pd 基金属化合物与乙烯具有弱 π 键，因此在乙炔加氢反应中具有良好的选择性，但它们伴随的氢活化减弱导致需要相对较高的反应温度（> 100 C）才能实现乙炔的高转化率，这可能会导致反应器床的安全问题。将氧化物载体的尺寸减小到纳米团簇尺度将显著改变它们的配位数 (CN)、表面终端和 d 带特征，因此可以通过与 Pd 的强化学和电子相互作用，实现Pd 的尺寸和电子结构调控。其中，由纳米金属/氧化物界面稳定的无配体 Pd 簇有望弥合 Pd 纳米粒子与单原子之间的尺寸和性能差距，并最大限度地发挥界面效应。
图文解析
图 1. Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 的微观结构。a 合成过程示意图。b-d Bi 2 O 3 /TiO 2 (b) 和 Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 (c, d) 的STEM 图像。从上到下和从左到右的插图分别是投影结构模型、模拟 ADF-STEM 图像、HRSTEM 图像中圆形区域的 FFT 图案以及模拟 ADF-STEM 图像的 FFT图案。 e Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 的元素mapping图像。
图 2. Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 的表征。a TiO 2 、Pd/TiO 2 、Bi 2 O 3 /TiO 2 和 Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 的 XRD 图； b Pd/TiO 2 、Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 和氧化Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 (Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 -ox) 的Pd K-edge EXAFS傅里叶变换光谱；c Bi L 3 -edge EXAFS的傅里叶变换光谱；d Bi 2 O 3 /TiO 2 、Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 和Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 -ox 的 Bi L 3 -edge XANES 光谱。Bi 和 Bi 2 O 3 粉末用作参考样品。 e Pd/TiO 2 、Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 和 Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 -ox 的 Pd K-edge XANES 光谱。钯箔用作参考样品。 f 不同样品的 CO 吸附 FT-IR 光谱。
图 3. Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 在乙炔加氢中的催化性能。a Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 、Pd 0.2 /Bi 2 O 3 /TiO 2 和PdAg 3 /Al 2 O 3 样品的选择性与乙炔转化率的函数关系。 b 乙炔转化率为 95%时，在不同催化剂上 C 2 H 4 的选择性。 c 乙炔转化率为 90%时，反应温度 (T 90 ) 和C 2 H 4 选择性。 对于 Pd 3.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 ，在室温下很容易发生氢解离。非选择性乙炔加氢的强放热效应，最终导致温度失控，达到 63.5 C。d 在 40 C 下，Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 上的 C 2 H 2 转化率， C 2 H 4 选择性随时间变化曲线。e Pd/TiO 2 、Bi 2 O 3 /TiO 2 和Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 的 H 2 -TPR 曲线。f在 Pd/TiO 2 和 Pd 1.0 /Bi 2 O 3 /TiO 2 上，C 2 H 4 脉冲吸附的微量热研究。
图 4. DFT 计算揭示的反应机理。a 用于 DFT 计算的 Pd 簇结构（Pd：青色，Bi：紫色，O：红色）。b 在 Pd(111) 上，和在 Bi 2 O 3 (100) 上负载的 Pd 8 簇上乙炔加氢生成乙烷的能量分布。 c投射到 Pd(111) 和 Pd 8 簇结构Pd 原子的 d 电子上的态密度。 选择 Pd(111) 的表面 Pd 原子和 Pd 8 簇结构中最活跃的 Pd 原子（C 2 H 4 吸附最强烈）来绘制 DOS。 d 带中心 (ε d ) 的位置用红色方框突出显示。 d C 2 H 4 的 E ads 与 Pd 簇表面不同 Pd 原子的 ε d 的函数关系。 最稳定的吸附结构用实心正方形表示，而其他不太稳定的吸附结构用空心正方形表示。 Pd(111) 的表面 Pd 原子也显示为红色实心方块以供比较。蓝色拟合线表明更小的 ε d 对应于更大的 C 2 H 4 E ads 。
总结与展望
基于上述结果，作者证明了纳米金属/氧化物界面在乙炔选择性加氢中的重要催化作用。Pd-Bi 2 O 3 杂化簇具有小的 Pd-Pd 配位以及簇内电子转移，可以在不影响 H 2 活化活性的情况下实现弱 C 2 H 4 吸附。Pd-Bi 2 O 3 纳米团簇相对于 Pd 单原子和纳米粒子的优异低温催化性能可能为混合纳米团簇的基础研究开辟新的机会。此外，所展示的逐步光化学策略也为制备混合纳米团簇和纳米金属/氧化物界面提供了一条新途径。