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中德合作研究發現氫氣在氧化物表面活化的新模式

時間:2019-09-17 18:27:38 來源:合肥微尺度物質科學國家研究中心

  中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心黃偉新教授與德國馬普學會Fritz-Haber研究所Hans-Joachim Freund教授合作,在H2與氧化物相互作用體系取得重要進展,發現了H2在具有氧缺陷的二氧化鈰(CeO2-x)表面發生均裂生成H-,同時氧化CeO2-x的新活化模式。研究結果“Oxidation of Reduced Ceria by Incorporation of Hydrogen”以全文形式在線發表在Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201907117。


  H2與氧化物(MOx)相互作用廣泛存在于多相催化反應體系。已有研究結果表明了H2在氧化物表面吸附活化存在異裂生成質子(OH)和M-H-的模式(H2+ M2x+ + O2-→O2-H+ + M2x+-H-)和均裂生成質子并還原氧化物的模式(H2 + M2x+ + 2O2-→2O2-H++ 2M(2x-1)+)。在本工作中,黃偉新教授與Hans-Joachim Freund教授利用多種譜學表征技術,合作研究了H2在具有氧缺陷的CeO2-x粉末和CeO2-x(111)單晶薄膜表面的吸附。X-射線光電子能譜(圖A)、電子順磁共振(圖B)和電子能量損失譜(圖C)的表征結果均觀察到常溫H2的吸附顯著降低CeO2-x 樣品中Ce3+ 的含量。這些結果表明了常溫H2在CeO2-x 表面吸附能夠導致CeO2-x 的氧化,從而揭示了H2 在CeO2-x 氧缺陷位均裂生成Ce4+-H- 并氧化氧化物(H2 + 2M (2x-1)+Vo→2M(2x)+Vo-H-)的全新模式(圖D),并且生成的H-物種易于從CeO2-x表面擴散至體相。該模式的發現加深了對氧化物催化劑活化H2以及氧化物催化劑體系氫物種的基礎理解。


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  黃偉新教授在氧化物體系氫物種及其反應性能研究方向開展了系統研究,建立了“氧缺陷控制氧化物表面羥基反應性能”概念( Surf. Sci. 600 (2006) 793; J. Phys. Chem. B 109 (2005) 9202; J. Am. Chem. Soc. 131 (2009) 16366; J. Phys. Chem. C 111 (2007) 2198/115 (2011) 6815/115 (2011) 14290/116 (2012) 11921/117 (2013) 5800/120 (2016) 9845/120 (2016) 26968/122 (2018) 22530; PCCP 15 (2013) 12068; Chem. Eur. J. 21 (2015) 4252),制備了氧化物表面H-物種并研究其反應行為(PCCP 16 (2014) 7051; Chin. Chem. Lett. 29 (2018) 752),明確了氧化物光催化分解水制氫的活性氫物種(J. Phys. Chem. C 116 (2012) 11921/Sci. China Chem. 62 (2019) 199),受邀在“Encyclopedia of Interfacial Chemistry: Surface Science and Electrochemistry”(ISBN: 9780128097397, Ed. Klaus Wandelt, Vol. 3, Elsevier B.V., 2018, pp 666-672)撰寫“Surface Oxygen Vacancy-Controlled Reactivity of Hydroxyl Groups on Transitional Metal Oxide Surfaces”條目。此次H2在氧化物氧缺陷位均裂生成M-H-活化模式的發現將為該研究方向提供了新的思路。


  黃偉新教授與Hans-Joachim Freund教授為論文共同通訊作者,中國科學技術大學博士研究生李兆瑞、德國馬普學會Fritz-Haber研究所博士研究生Kristin Werner和中國科學技術大學特任副研究員千坤為論文共同第一作者。研究得到了科技部國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金委員會和教育部長江特聘教授項目的資助。


  文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201907117


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