单原子催化剂活化氢气:Pt1/WOx催化氢解反应

周茂祥 杨曼 杨小峰 赵晓晨 孙磊 邓伟侨 王爱琴 李隽 张涛

引用本文: 周茂祥,  杨曼,  杨小峰,  赵晓晨,  孙磊,  邓伟侨,  王爱琴,  李隽,  张涛. 单原子催化剂活化氢气:Pt1/WOx催化氢解反应[J]. 催化学报, 2020, 41(3): 524-532. doi: S1872-2067(19)63517-5 shu
Citation:  Maoxiang Zhou,  Man Yang,  Xiaofeng Yang,  Xiaochen Zhao,  Lei Sun,  Weiqiao Deng,  Aiqin Wang,  Jun Li,  Tao Zhang. On the mechanism of H2 activation over single-atom catalyst: An understanding of Pt1/WOx in the hydrogenolysis reaction[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(3): 524-532. doi: S1872-2067(19)63517-5 shu

单原子催化剂活化氢气:Pt1/WOx催化氢解反应

  • 基金项目:

    国家重点研发计划(2018YFB1501602,2016YFA0202801);国家自然科学基金(21690080,21690084,21673228,21721004,21776269,和21606227);中国科学院战略性先导科技专项(XDB17020100);中国科学院洁净能源创新研究院(DNL180303).

摘要: 单原子催化剂具有独特的结构位点,能最大化利用贵金属原子,在一系列化学转化反应中具有优异的活性和选择性.但单原子的稳定性是单原子催化剂应用的一个挑战,特别是还原气氛下单原子的稳定性,这极大地限制了单原子催化剂在加氢、脱氢和氢解反应中的应用.理解还原气氛下单原子的稳定机制和单原子催化剂活化氢气的反应机理对于扩大单原子催化剂的应用非常重要.Pt/WOx(2 < x < 3)是一种典型的金属-载体强相互作用体系,在甘油氢解制1,3-丙二醇等一系列含氢反应中具有优异的活性和选择性.但原子层面的催化反应机理,如Pt单原子在表面的位置、Pt单原子的稳定机理以及氢气在单原子上活化产生原位Brønsted酸的机制仍不清楚.
在本研究中,我们结合密度泛函理论(DFT)和实验表征研究了WOx负载Pt、Pd、Au三种单原子的稳定性和解离氢气的活性.DFT计算结果表明,在还原气氛下Pt单原子能促进氧化钨表面形成桥式氧空位.WOx表面的氧空位对于Pt单原子的稳定非常重要,氧空位通过转移部分电子给Pt,使Pt单原子带部分负电从而高效地稳定Pt单原子.不同于带正电单原子的非均相解离氢气,带部分负电的Pt单原子保持一定的金属性,能类似金属表面均相解离H2产生金属氢物种(Pt-H).同时Pt解离的H原子能容易地扩散到氧化钨载体上形成原位Brønsted酸,从而使Pt1/WOx催化剂具有双功能催化性质.考察了Pt、Pd、Au三种单原子在WOx(001)表面的稳定性,三种单原子的稳定性顺序为Pt>Pd>Au.氢气能在Pd和WOx界面非均相解离,而Au/WOx不能活化、解离氢气.
我们进一步采用实验表征验证了DFT理论计算的结果.实验合成了WOx负载的Pt、Pd、Au三种催化剂,X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)结果表明,Pt能在WOx表面原子级分散和稳定,而Pd在WOx表面形成较小的纳米颗粒,Au形成较大的纳米颗粒.采用氢气化学吸附研究了三种催化剂对氢气的活化能力,结果表明三种催化剂的氢气活化能力顺序为Pt/WOx(137μmol/g-Pt)> Pd/WOx(43μmol/g-Pd)>> Au/WOx(4μmol/g-Au).将三种催化剂用于甘油选择性氢解制备1,3-丙二醇的反应中,只有Pt/WOx催化剂对甘油氢解具有优异的活性和选择性.从而实验证实了氢气气氛下原位产生的Brønsted酸具有关键作用和Pt1/WOx催化剂具有双功能催化性质.
我们的研究不仅解释了还原气氛下金属单原子在氧化物表面的稳定机理,而且对单原子催化剂活化解离氢气提供了新的认识.

English

    1. [1] B. Qiao, A. Wang, X. Yang, L. F. Allard, Z. Jiang, Y. Cui, J. Liu, J. Li, T. Zhang, Nat. Chem., 2011, 3, 634-41.

    2. [2] X. Yang, A. Wang, B. Qiao, J. Li, J. Liu, T. Zhang, Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1740-1748.

    3. [3] A. Wang, J. Li, T. Zhang, Nat. Rev. Chem., 2018, 2, 65-81.

    4. [4] G. Giannakakis, M. Flytzani-Stephanopoulos, E. C. H. Sykes, Acc. Chem. Res., 2019, 52, 237-247.

    5. [5] L. Liu, A. Corma, Chem. Rev., 2018, 118, 4981-5079.

    6. [6] J. Liu, ACS Catal., 2016, 7, 34-59.

    7. [7] Z. Li, D. Wang, Y. Wu, Y. Li, Natl. Sci. Rev., 2018, 5, 673-689.

    8. [8] J. C. Matsubu, V. N. Yang, P. Christopher, J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 3076-3084.

    9. [9] G. Malta, S. A. Kondrat, S. J. Freakley, C. J. Davies, L. Lu, S. Dawson, A. Thetford, E. K. Gibson, D. J. Morgan, W. Jones, P. P. Wells, P. Johnston, C. R. A. Catlow, C. J. Kiely, G. J. Hutchings, Science, 2017, 355, 1399.

    10. [10] Z. Zhang, Y. Zhu, H. Asakura, B. Zhang, J. Zhang, M. Zhou, Y. Han, T. Tanaka, A. Wang, T. Zhang, N. Yan, Nat. Commun., 2017, 8, 16100.

    11. [11] L. Zhang, Y. Ren, W. Liu, A. Wang, T. Zhang, Natl. Sci. Rev., 2018, 5, 653-672.

    12. [12] H. Wei, X. Liu, A. Wang, L. Zhang, B. Qiao, X. Yang, Y. Huang, S. Miao, J. Liu, T. Zhang, Nat. Commun., 2014, 5, 5634.

    13. [13] L. Wang, G. Wang, J. Zhang, C. Bian, X. Meng, F.-S. Xiao, Nat. Com-mun., 2017, 8, 15240.

    14. [14] Q. Feng, S. Zhao, Y. Wang, J. Dong, W. Chen, D. He, D. Wang, J. Yang, Y. Zhu, H. Zhu, L. Gu, Z. Li, Y. Liu, R. Yu, J. Li, Y. Li, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 7294-7301.

    15. [15] F. R. Lucci, J. Liu, M. D. Marcinkowski, M. Yang, L. F. Allard, M. Flytzani-Stephanopoulos, E. C. H. Sykes, Nat. Commun., 2015, 6, 8550.

    16. [16] L. Wang, W. Zhang, S. Wang, Z. Gao, Z. Luo, X. Wang, R. Zeng, A. Li, H. Li, M. Wang, X. Zheng, J. Zhu, W. Zhang, C. Ma, R. Si, J. Zeng, Nat. Commun., 2016, 7, 14036.

    17. [17] R. Lang, T. Li, D. Matsumura, S. Miao, Y. Ren, Y. T. Cui, Y. Tan, B. Qiao, L. Li, A. Wang, X. Wang, T. Zhang, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 16054-16058.

    18. [18] X. Shao, X. Yang, J. Xu, S. Liu, S. Miao, X. Liu, X. Su, H. Duan, Y. Huang, T. Zhang, Chem, 2019, 5, 693-705.

    19. [19] J. M. Thomas, R. Raja, D. W. Lewis, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 6456-6482.

    20. [20] J. Jones, H. Xiong, A. T. DeLaRiva, E. J. Peterson, H. Pham, S. R. Challa, G. Qi, S. Oh, M. H. Wiebenga, X. I. Pereira Hernández, Y. Wang, A. K. Datye, Science, 2016, 353, 150.

    21. [21] A. Bruix, Y. Lykhach, I. Matolínová, A. Neitzel, T. Skála, N. Tsud, M. Vorokhta, V. Stetsovych, K. Ševčíková, J. Mysliveček, R. Fiala, M. Václavů, K. C. Prince, S. Bruyère, V. Potin, F. Illas, V. Matolín, J. Libuda, K. M. Neyman, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 10525-10530.

    22. [22] R. Lang, W. Xi, J.-C. Liu, Y.-T. Cui, T. Li, A. F. Lee, F. Chen, Y. Chen, L. Li, L. Li, J. Lin, S. Miao, X. Liu, A.-Q. Wang, X. Wang, J. Luo, B. Qiao, J. Li, T. Zhang, Nat. Commun., 2019, 10, 234.

    23. [23] J. Wang, X. Zhao, N. Lei, L. Li, L. Zhang, S. Xu, S. Miao, X. Pan, A. Wang, T. Zhang, ChemSusChem, 2016, 9, 784-790.

    24. [24] H.-Y. T. Chen, S. Tosoni, G. Pacchioni, ACS Catal., 2015, 5, 5486-5495.

    25. [25] R. van Lent, S. V. Auras, K. Cao, A. J. Walsh, M. A. Gleeson, L. B. F. Juurlink, Science, 2019, 363, 155.

    26. [26] G. Vile, D. Albani, M. Nachtegaal, Z. Chen, D. Dontsova, M. Antonietti, N. Lopez, J. Perez-Ramirez, Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 11265-11269.

    27. [27] P. Liu, Y. Zhao, R. Qin, S. Mo, G. Chen, L. Gu, D. M. Chevrier, P. Zhang, Q. Guo, D. Zang, B. Wu, G. Fu, N. Zheng, Science, 2016, 352, 797.

    28. [28] G. Kyriakou, M. B. Boucher, A. D. Jewell, E. A. Lewis, T. J. Lawton, A. E. Baber, H. L. Tierney, M. Flytzani-Stephanopoulos, E. C. H. Sykes, Science, 2012, 335, 1209.

    29. [29] J. G. Santiesteban, D. C. Calabro, W. S. Borghard, C. D. Chang, J. C. Vartuli, Y. P. Tsao, M. A. Natal-Santiago, R. D. Bastian, J. Catal., 1999, 183, 314-322.

    30. [30] J. Song, Z.-F. Huang, L. Pan, J.-J. Zou, X. Zhang, L. Wang, ACS Catal., 2015, 5, 6594-6599.

    31. [31] Z. Zhang, H.-X. Wei, G.-F. Ma, Y.-Q. Li, S.-T. Lee, J.-X. Tang, Appl. Phys. Lett., 2013, 103, 133302.

    32. [32] Z. F. Huang, J. Song, L. Pan, X. Zhang, L. Wang, J. J. Zou, Adv. Mater., 2015, 27, 5309-5327.

    33. [33] J. Wang, N. Lei, C. Yang, Y. Su, X. Zhao, A. Wang, Chin. J. Catal., 2016, 37, 1513-1519.

    34. [34] X. Zhao, J. Wang, M. Yang, N. Lei, L. Li, B. Hou, S. Miao, X. Pan, A. Wang, T. Zhang, ChemSusChem, 2017, 10, 819-824.

    35. [35] Z. Cheng, C. S. Lo, ACS Catal., 2014, 5, 59-72.

    36. [36] F. Wang, C. Di Valentin, G. Pacchioni, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 8345-8353.

    37. [37] G. Xi, J. Ye, Q. Ma, N. Su, H. Bai, C. Wang, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 6508-6511.

    38. [38] C. Lambert-Mauriat, V. Oison, L. Saadi, K. Aguir, Surf. Sci., 2012, 606, 40-45.

    39. [39] T. Kropp, Z. Lu, Z. Li, Y.-H. C. Chin, M. Mavrikakis, ACS Catal., 2019, 9, 1595-1604.

    40. [40] T. Y. Chang, Y. Tanaka, R. Ishikawa, K. Toyoura, K. Matsunaga, Y. Ikuhara, N. Shibata, Nano Lett., 2014, 14, 134-138.

    41. [41] Y. G. Wang, D. Mei, V. A. Glezakou, J. Li, R. Rousseau, Nat. Commun., 2015, 6, 6511.

    42. [42] J. L. Shi, X. J. Zhao, L. Y. Zhang, X. L. Xue, Z. X. Guo, Y. F. Gao, S. F. Li, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 19316-19322.

    43. [43] J. C. Liu, Y. G. Wang, J. Li, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 6190-6199.

    44. [44] B. Qiao, J.-X. Liang, A. Wang, C.-Q. Xu, J. Li, T. Zhang, J. J. Liu, Nano Res., 2015, 8, 2913-2924.

    45. [45] C. Wang, X.-K. Gu, H. Yan, Y. Lin, J. Li, D. Liu, W.-X. Li, J. Lu, ACS Catal., 2016, 7, 887-891.

    46. [46] B. Zhang, H. Asakura, J. Zhang, J. Zhang, S. De, N. Yan, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 8319-8323.

    47. [47] S. Horch, H. T. Lorensen, S. Helveg, E. Lægsgaard, I. Stensgaard, K. W. Jacobsen, J. K. Nørskov, F. Besenbacher, Nature, 1999, 398, 134-136.

    48. [48] A. Corma, M. Boronat, S. González, F. Illas, Chem. Commun., 2007, 3371.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  21
  • 文章访问数:  1844
  • HTML全文浏览量:  281
文章相关
  • 收稿日期:  2019-08-20
  • 修回日期:  2019-09-20
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章