物质科学原位中心ACS Catalysis观点论文发表:深入探讨异相催化中金属-载体界面的表征方法
日期:2024-02-26 阅读:5931

近日,上海交通大学物质科学原位中心的刘晰与陈立桅教授在ACS Catalysis上撰写了“深入探讨异相催化中金属-载体界面的表征方法”观点论文,对最新的科研结果进行前瞻性讨论。

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在负载金属催化剂中,金属表面对催化活性具有决定性影响。然而,越来越多的研究表明金属和载体接触界面的金属-载体相互作用(MSI)对负载金属颗粒的物理化学性质起到关键作用,从而有效改变催化剂的活性和选择性。最近的研究揭示,金属-载体界面中的暴露边界能作为新的催化活性位点参与反应,而未暴露的界面通过调控负载金属物种的原子结构和电子性质间接影响其表面物理化学性质,包括催化活性。

全面了解金属-载体界面的物理化学性质对于催化剂的设计和应用至关重要。然而,界面本身的复杂性和多样性增加了对其进行表征的难度。虽然表征技术的发展使研究者们能够在从原子到宏观层面理解界面的物理化学性质,并在原位或工况条件下进行动态分析,但研究中仍存在一些问题,例如缺少直接表征界面的方法,定性结果远多于定量结果,微观表征与宏观表征尚未很好地统一。未来表征方法的发展重点将在于理解催化剂中的不均匀性对微观表征的影响,并实现微观和宏观表征结果的统一,以便对MSI和相关构效关系进行精确的定量描述。

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图1 表征金属-载体界面的常用技术示意图

 

在本文中,作者详细介绍并讨论了从微观和宏观层面表征金属-载体界面的方法。主要涵盖了显微学、谱学和分子探针技术这三大类方法,以明确界面在催化反应中的作用,并建立微观结构与宏观化学性质之间的关联。

 

表征界面的显微学手段

先进的显微学技术可以实现原子级的空间分辨率,能够在纳米和原子尺度上表征界面结构。包括球差矫正的透射电子显微镜(AC-TEM)、扫描透射显微镜中的二次电子成像(STEM-SE)以及扫描隧道显微镜(STM)等,广泛应用于催化剂的微观结构表征,甚至在原位动态结构表征方面也得到一系列成果。研究者更使用透射电镜中的电子能量损失谱、4D-STEM、全息电子像等技术,对单颗粒的界面电荷转移进行精确的定量分析(见图2)。实验结果揭示,同一催化剂的不同颗粒上电荷转移程度存在显著差异,暗示这些颗粒在催化反应中可能表现出不同的活性。这些研究成果不仅揭示了异相催化剂中单颗粒之间物理化学性质的本质差异,更对于从单颗粒尺度理解宏观催化剂活性的产生具有重要意义。

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图2. 通过先进TEM技术在微观层面定量表征电荷迁移。

图片来源:Copyright 2022 Springer Nature, Copyright 2022 American Association for the Advancement of Science。

 

表征界面的谱学手段

为了精确理解构效关系,利用各种谱学表征手段对界面催化位点的几何结构、电子结构和化学吸附等特性进行宏观定量研究至关重要。该文章对于这些实验结果进行了讨论。文章也指出,没有空间分辨能力的谱学表征获得的是包括表面和界面在内的综合信息,因此如何准确识别界面位点的物理化学性质对于理解其构效关系至关重要。在现有的谱学表征手段中,很少有直接对界面进行表征的方法(除了和频振动光谱(SFG),见图3)。大多数非空间分辨的表征是通过比较参照体系来区分出表面和界面的贡献。因此,为了获得有效的表征结果,研究对实验的合理设计要求很高。

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图3 通过实验设计区分表面和界面位点的贡献。

图片来源:Copyright 2012 American Chemical Society


研究指出,通过构建特定的金属-载体界面位点,可以实现卓越的催化活性和选择性。然而,要实现对界面位点的理性设计,首先需要对其进行全面的表征,深刻理解构效关系。尽管多种先进的表征手段已经应用于催化剂界面的研究,但研究者对界面催化的理解定性多于定量、微观和宏观尚未统一。未来的界面催化表征方法迫切需要实现微观表征和宏观表征的有效结合,同时建立经过精心设计且可重复的表征方法,从而提高全面深刻地认识界面构效关系的能力。

该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的大力支持。

上海交通大学物质科学原位中心网页:https://insitu.sjtu.edu.cn

文章链接:https://doi.org/10.1021/acscatal.3c04930


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