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中國科大等發現氫氣在氧化物表面活化的新模式

2019-09-18 中國科學技術大學
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  中國科學技術大學化學與材料科學學院教授黃偉新與德國馬普學會Fritz-Haber研究所教授Hans-Joachim Freund合作,在H2與氧化物相互作用體系研究中取得新進展,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《德國應用化學》(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)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,黃偉新與Hans-Joachim Freund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(A)、電子順磁共振(B)和電子能量損失譜(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。這些結果表明常溫H2CeO2-x 表面吸附能夠導致CeO2-x 的氧化,從而揭示了HCeO2-x 氧缺陷位均裂生成Ce4+-H并氧化氧化物(H2 + 2M (2x-1)+Vo2M(2x)+Vo-H-)的全新模式(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。

  黃偉新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新的思路。

  黃偉新與Hans-Joachim Freund為論文共同通訊作者,中國科大博士研究生李兆瑞、德國馬普學會Fritz-Haber研究所博士研究生Kristin Werner和中國科大特任副研究員千坤為論文共同第一作者。研究得到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。

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打印 責任編輯:葉瑞優

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