寧波材料所在非貴金屬催化材料研究方面取得新進(jìn)展
近日，寧波材料所張建研究員團(tuán)隊(duì)與金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室磁性材料與磁學(xué)研究部張志東研究員團(tuán)隊(duì)的馬嵩副研究員和王瀚博士、催化材料研究部蘇黨生研究員、中國(guó)工程物理研究院表面物理與化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭麗霞博士合作，利用碳包覆鈷磁性納米膠囊結(jié)構(gòu)中缺陷石墨殼層的束縛作用，合成了富含高指數(shù)晶面的氧化鈷催化劑，在甲烷催化燃燒反應(yīng)中體現(xiàn)出可替代貴金屬鈀、鉑的潛力。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Nature Communications（2015, 6, 7181, DOI: 10.1038/ncomms8181）上。
貴金屬在眾多催化反應(yīng)中體現(xiàn)出優(yōu)異性能，但由于其固有的稀缺特性和高昂成本，使得貴金屬替代研究成為國(guó)際催化領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。根據(jù)已掌握的反應(yīng)機(jī)理，利用新穎的材料合成方法制備富含活性中心的納米結(jié)構(gòu)，降低關(guān)鍵步驟能壘、提升反應(yīng)速率，可在較低反應(yīng)溫度和壓力下獲得較高的反應(yīng)活性和目標(biāo)產(chǎn)物選擇性。低成本的鐵、鈷等過(guò)渡金屬以合金、氧化物、碳化物等形式存在，這些化合物組成各異、晶相多樣，有望通過(guò)精確設(shè)計(jì)在晶體生長(zhǎng)階段實(shí)現(xiàn)活性中心的表面富集，使其具有接近或超越貴金屬的催化性能。
工業(yè)廢氣和汽車(chē)尾氣中一般含有C1-C4低碳烴類(lèi)（甲烷、乙烷、乙烯、丙烷等），與大氣顆粒物發(fā)生吸附和光、熱化學(xué)反應(yīng)后形成二次有機(jī)氣溶膠，是霧霾中碳質(zhì)顆粒物的主要來(lái)源。本研究通過(guò)原位氧化方法將碳包鈷納米顆粒局部破殼，金屬鈷暴露后發(fā)生的劇烈氧化過(guò)程導(dǎo)致內(nèi)核體積膨脹，殘留的石墨外殼輔助形成缺陷度較高的氧化鈷顆粒。催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表明，該催化劑具有轉(zhuǎn)換頻率高、表觀活化能低的特點(diǎn)，反應(yīng)速率對(duì)氧分壓無(wú)明顯的依賴(lài)關(guān)系，并在一氧化碳、丙烷、苯系物的完全氧化反應(yīng)中體現(xiàn)出較高活性。目前，研究人員正利用石墨殼層誘導(dǎo)效應(yīng)合成其他可變價(jià)過(guò)渡金屬氧化物，并探索其在催化、儲(chǔ)能、燃料電池等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。
上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年基金、重點(diǎn)基金、青年基金、表面物理與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)科發(fā)展基金等項(xiàng)目的資助。
缺陷石墨烯殼層誘導(dǎo)合成Co3O4納米顆粒示意圖
甲烷燃燒催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及反應(yīng)后催化劑表征
（新能源所 諶春林）