近日，大連化物所催化與新材料研究室劉曉艷研究員、張濤院士團隊在光熱協(xié)同催化研究方面取得進展，發(fā)現(xiàn)采用Pt/TiO2-WO3催化氧化丙烷，在低溫和高濃度氧氣條件下，光熱協(xié)同催化的活性遠遠高于單獨的光催化和熱催化的活性。
Pt/TiO2-WO3催化劑在不同光照強度下的T70和Ea及有無光照時O2反應(yīng)級數(shù)的變化
以氧氣為氧化劑的氧化反應(yīng)（如揮發(fā)性有機污染物消除、烷烴燃燒等）是工業(yè)催化中非常重要的一類反應(yīng)，負載型Pt催化劑是這類反應(yīng)的高活性催化劑之一。然而，由于Pt表面對氧氣有很強的吸附性，特別是在低溫或高濃度氧氣情況下，Pt很容易被氧氣“毒化”而失活。因此，在傳統(tǒng)熱催化中，這類反應(yīng)的起活溫度一般在200 以上。而高溫活化氧氣的同時也加速了金屬態(tài)Pt的氧化，導(dǎo)致負載型Pt催化劑的活性降低。
鑒于此，該團隊以復(fù)合半導(dǎo)體TiO2-WO3負載的亞納米Pt為催化劑，以丙烷氧化作為探針反應(yīng)，在熱催化的基礎(chǔ)上引入光照，實現(xiàn)光熱協(xié)同催化。研究結(jié)果表明，光熱協(xié)同催化可以在低溫和高濃度氧氣條件下極大地提升Pt/TiO2-WO3催化劑對丙烷的催化氧化活性。催化劑的活性隨著光照強度的增加（0至1000 mW/cm2）而增加，T70（丙烷轉(zhuǎn)化70%時的反應(yīng)溫度）最低可至90 。與熱催化相比，T70的最大溫差可達234 。動力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，光熱協(xié)同催化反應(yīng)活化能（Ea）隨光照強度的增加而呈線性降低，最多可達十倍以上。與此同時，氧氣的反應(yīng)級數(shù)（n）在加光前后也發(fā)生極大變化：不加光時氧氣的反應(yīng)級數(shù)為-1.4，而加光之后氧氣的反應(yīng)級數(shù)變?yōu)?.1。這表明，在光熱協(xié)同催化條件下，催化活性幾乎與氧氣濃度無關(guān)。該工作不僅通過光熱協(xié)同催化解決了負載型Pt催化劑在低溫和高濃度氧氣條件下氧中毒的問題，還有助于理解半導(dǎo)體負載非等離激元金屬催化劑的光熱協(xié)同催化機理。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。上述工作得到國家重點研發(fā)項目、國家自然科學(xué)基金項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項B類“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”、中科院創(chuàng)新群體項目和博士后科學(xué)基金項目的資助，并得到上海光源的支持。（文/圖 康磊）
