喷雾热解/沉积策略合成介孔原子级催化剂及其性能研究

Atomically dispersed catalysts have drawn widely attention in the word due to their 100% atomically efficiency and high activity. In this proposal, we proposed an efficient spray-pyrolysis/deposition strategy to dissolve of problem of fabricating mesoporous atomically dispersed catalysts. The team will study the dispersion mechanism of metals, the effect of synthesis parameters on the dispersion and loading of the metal atoms and the general degree of as-proposed spray-pyrolysis/deposition strategy. Meanwhile, the catalytic performance of the obtained mesoporous atomically dispersed catalysts will be evaluated. By the study of this proposal, we can develop spray-pyrolysis/deposition strategy as an efficient and general way to mesoporous atomically dispersed catalysts and obtain various excellent catalysts for industry applications. In a word, this proposal possesses highly importance in both fundamental of knowledge and practical application in the field of atomically catalysis.

原子级催化剂因100%原子利用率和高催化活性而引起国内外广泛关注。在该项目中，申请者首次提出喷雾热解/沉积策略解决该领域中介孔原子级催化剂的合成难题，并系统研究金属在喷雾热解/沉积过程中呈现原子级分散的机制、合成条件对分散性和介孔结构的影响以及方法的普适程度等一系列方法学基础问题。另外，申请者还将研究所得介孔原子级催化剂的性能。本项目的研究可解决介孔原子级催化剂合成的难题，把喷雾热解/沉积策略发展成介孔原子级催化剂的普适制备方法，获得一系列有工业应用潜力的介孔原子级催化剂，具有重要的基础理论意义和实际应用价值。

与纳米催化剂相比，原子级催化剂的活性金属利用率达到理论极限（100%），其孤立的单原子金属位点呈现独特的配位结构，对应着独特的催化性质。申请人及团队在国家自然科学基金的资助下，创建并系统研究了一种制备原子级催化剂的普适性新方法：喷雾“热解+沉积”策略，且该方法所得的原子级催化剂是介孔结构的。团队运用该方法制备了一系列介孔金属氧化物负载的单原子催化剂，如Pt1/Al2O3、Pt1/Fe2O3、Pt1/CeO2、Pd1/TiO2、Au1/CeO2等，活性金属的负载量可以达到1%，在水汽变化反应等应用中表现出优异催化性能。通过前驱体的调控，还实现精准合成单原子催化剂、不同尺寸的纳米催化剂，并且同一分散特性的催化剂载体可以调控。以此方法为基础，申请人团队：1）发现了单原子Pd（Pd1）和纳米Pd（PdNPs）共分散的Pd1+NPs/TiO2 双位点催化剂，实现室温常压高效加氢，并提出氢溢流机制；2）解决了单原子Pt位点是否为CO低温催化氧化活性位点的争议，研究表明可还原性载体赋予单原子位点高催化活性，非还原性载体上单原子位点活性低。总之，该项目的研究成果贡献了一种有效的介孔原子级催化剂的普适性制备及调控方法，并以此为基础发现了新的催化剂类型与机制，深化非均相催化理论认识，促进了原子级催化剂的发展。项目完成期间，申请人以第一或通讯作者在Nat. Commun., Nano Res., ACS Appl. Mater. Interfaces等国际知名期刊发表相关SCI学术论文5篇，其中入选ESI高被引论文1篇，获得授权中国发明专利1项，指导硕士研究生4名。