近日，金屬所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室磁性材料與磁學(xué)研究部張志東研究員、馬嵩副研究員、王瀚博士等組成的團隊、催化材料研究部蘇黨生研究員與寧波材料研究所張建研究員團隊、中國工程物理研究院表面物理與化學(xué)國家重點實驗室彭麗霞博士共同合作，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)果在線發(fā)表在Nature Communications（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、鈷等過渡金屬可以合金、氧化物、碳化物等形式存在，這些化合物組成各異、晶相多樣，有望通過精確設(shè)計在晶體生長階段實現(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)廢氣和汽車尾氣中一般含有C1~C4低碳烴類（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)后形成二次有機氣溶膠，是霧霾中碳質(zhì)顆粒物的主要來源。本研究通過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，反應(yīng)速率對氧分壓無明顯的依賴關(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)合成其他可變價過渡金屬氧化物，并探索其在催化、儲能、燃料電池等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金委等項目的資助。
圖1：缺陷石墨殼層誘導(dǎo)合成Co3O4納米顆粒示意圖
圖2：甲烷燃燒催化反應(yīng)動力學(xué)及反應(yīng)后催化劑表征
