近日，大連化物所催化與新材料研究室黃延強研究員、張濤院士團隊在調(diào)控費托合成反應(yīng)中CO解離的作用機制方面取得進展，研究發(fā)現(xiàn)：在還原過程中Ru納米顆粒(NPs)上形成的TiOx覆蓋層可直接參與C-O鍵的解離，從而顯著提高其在費托合成反應(yīng)的活性。
費托合成反應(yīng)可以將非石油資源（煤、天然氣、生物質(zhì)等）經(jīng)合成氣轉(zhuǎn)化為具有高附加值的燃料或化學(xué)品，為發(fā)展替代能源提供了一條技術(shù)路線。在費托合成反應(yīng)中，CO解離并進一步加氫形成CHx中間物種的步驟至關(guān)重要，通常發(fā)生在Fe、Co、Ru金屬表面，其中金屬Ru表現(xiàn)出最優(yōu)的反應(yīng)性能。然而，Ru基催化劑存在明顯的粒徑效應(yīng)，8 nm左右的Ru NPs才具有較高的費托反應(yīng)活性，這嚴重降低了貴金屬Ru的利用效率。開發(fā)高分散、高活性的Ru基費托合成催化劑具有重要的意義。
該團隊利用金紅石型RuO2與TiO2晶型相同、晶格匹配度高的特點，成功合成了高分散、高穩(wěn)定的Ru/TiO2催化劑，其中Ru NPs粒徑僅為2 nm左右，經(jīng)600 高溫還原處理后粒徑未發(fā)生明顯變化。該團隊通過改變催化劑的還原溫度，實現(xiàn)了金屬-載體強相互作用程度的可控調(diào)節(jié)，獲得了具有不同金屬-載體界面結(jié)構(gòu)的Ru/TiO2催化劑。研究表明，在適宜的金屬-載體界面協(xié)同作用下，約2 nm的Ru NPs可以在溫和條件下（160 ）表現(xiàn)出優(yōu)異的費托反應(yīng)活性，其TOF值是目前文獻報道的最高值。通過多種表征技術(shù)并結(jié)合理論計算發(fā)現(xiàn)：利用金屬-載體強相互作用形成的TiOx覆蓋層可直接參與C-O鍵的解離，從而顯著提高了Ru基催化劑的費托反應(yīng)活性。本工作不僅揭示了金屬-載體強相互作用在費托合成反應(yīng)中的催化作用機制，還為其他高分散金屬催化劑的設(shè)計提供了新思路。
該研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。本工作得到國家重點研發(fā)計劃“納米科技”重點專項項目、國家杰出青年科學(xué)基金項目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項B“功能納米系統(tǒng)的精準構(gòu)筑原理與測量”等的資助。
