【國外】荷蘭烏得勒支大學Nat. Mater.:通過核-殼設計釋放雙金屬催化劑的協同作用

【引言】

當兩種催化活性金屬結合在一起使催化性能超過單金屬對應物時，就會產生協同作用。雙金屬催化劑可以催化從選擇性加氫到氧化和電化學反應的各種化學過程。主要關注于合金化的納米顆粒，因為它們可以通過標準的催化劑制備方法輕松獲得，并且可以通過調節平均金屬組成輕松調整其催化性能。氣體誘導和熱誘導的金屬再分布會對催化性能產生重大影響。隨著材料科學的最新進展，現在可以合成具有精確原子排列的雙金屬納米粒子，例如單原子合金，金屬間結構和核-殼材料。然而，現今對金屬分布與雙金屬催化劑的性能之間的聯系研究得較少。盡管成功地展示了電催化中的核-殼催化劑，但核-殼納米顆粒的催化行為仍未得到深入研究，在該反應中，由內核誘導的殼原子電子特性的變化導致了催化性能的提高。

【成果簡介】

???????將單金屬催化劑擴展到雙金屬催化劑是實現高效化學過程的關鍵。傳統上，以一種活性金屬和一種選擇性金屬為特征的雙金屬催化劑的性能是通過改變金屬組成來優化的，通常會導致兩種金屬的催化性能之間的折衷。荷蘭烏得勒支大學的研究人員通過設計雙金屬Au-Pd納米催化劑的原子分布，在與工業相關的丁二烯選擇性加氫中獲得了協同催化性能。這種單晶Au核Pd殼納米棒的活性是其合金和單金屬對應物的活性的50倍，同時保留了高選擇性。作者發現催化活性會隨殼層厚度的變化：除開表面的材料，內核的材料也在催化性能中都起著至關重要的作用，并使用密度泛函理論計算合理化了這一發現。這個結果為雙金屬催化劑的結構設計開辟了另一條途徑。該成果以題為“Unlocking synergy in bimetallic catalysts by core-shell design”發表在Nat. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1.具有受控Pd含量和殼厚度的單分散Au@Pd@SiO2 NR的模型系統

（a）Au@Pd@SiO2 NR及其表面結構的示意圖（b）原子Pd比例隨合成混合物中Pd前體（Na2PdCl4）濃度的變化而變化（c–f）高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡和EDX圖

圖2.核殼結構Au-Pd催化劑的性能優于其合金化催化劑

（a）EDX圖（b）不同結構的Au@Pd@SiO2 NRs在丁二烯選擇性加氫中的催化活性和選擇性（c）在不同溫度下預處理的Au@Pd@SiO2 NRs的丁二烯轉化率與反應溫度的關系 （d）丁二烯轉化率對丁烯的選擇性

圖3.Au核Pd-殼催化劑的催化性能對殼層數高度敏感

（a）使用具有可變的Pd含量和殼厚度的Au@Pd@SiO2 NR（b）丁二烯轉化率與反應溫度的關系 （c）丁二烯轉化率對丁烯的選擇性

圖4.表面刻面的晶體學取向，鈀殼厚度和晶格應變決定了反應物的吸附能

（a）丁二烯的平均吸附能與{100}，{111}和{110}表面上Pd層數的關系 （b）σ和π結合模式的示意圖以及結合能隨氫（黑色），丙烯（藍色），丁烯（綠色）和丁二烯（紅色）的Pd殼厚度的變化而變化 （c）分別給出了Pd（389 Ppm）和Au（407 pm）晶格參數對Pd以及應變Pd {111}和{110}表面的氫和丁二烯吸附

【小結】

在這個工作中，作者證明了核殼催化劑比合金殼催化劑具有更高的活性，它們的催化性能取決于殼厚度，而且金核Pd殼催化劑的性能甚至與純Pd都不一樣。這個研究突出了調節雙金屬催化劑中原子分布的重要性，并為合理設計具有最佳協同性能的雙金屬催化劑奠定了基礎。

文獻鏈接：Unlocking synergy in bimetallic catalysts by core-shell design. Nat. Mater., 2021, DOI:10.1038/s41563-021-00996-3

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。 ?