中國科大孿晶金屬納米晶催化作用機制研究取得進展

文章來源：中國科學技術大學    發布時間：2015-05-19  

近日，中國科學技術大學教授曾杰課題組與李震宇合作，在孿晶金屬納米晶催化作用機制研究方面取得新進展。研究人員成功制備了Au75Pd25二十面體和八面體，盡管兩種合金暴露同一種晶面，但是具備孿晶結構的Au75Pd25二十面體在環己烷氧化反應中催化活性和選擇性明顯高于單晶結構的八面體。通過深入的理論計算，研究人員發現孿晶合金的突出表現源于孿晶結構引發的表面應變能的增強和活性金屬表面陰離子濃度的提高。該成果發表在5月18日的《納米快報》上，論文的共同第一作者是博士生王梁炳和趙宋燾。

應用于環己烷氧化反應的催化劑在催化性能提升上存在著不小的瓶頸，表現在增強分子氧作為氧化劑的活性和提高針對目標產物環己酮的選擇性。孿晶合金納米晶由于其獨特的孿晶結構和合金的協同效應，在催化環己烷氧化反應中有不俗表現。然而，孿晶結構在催化反應中的反應機理還缺乏深入的探索。

   為此，曾杰課題組基于氧化刻蝕理論，通過調節加入碘離子的量分別合成Au75Pd25二十面體和八面體。這兩種合金納米晶暴露出同一種晶面，二十面體具備孿晶結構，而八面體為單晶。因此，它們適合研究孿晶和單晶在催化反應中的不同表現以及反應機理。在環己烷氧化反應中，二十面體的瞬時收率達到15 106 h?1，是八面體的三倍，同時二十面體對環己酮的選擇性高達84.3%。為了解釋這一現象，研究人員結合了第一性原理計算和光譜技術。研究表明，二十面體中的孿晶結構導致晶體表面膨脹，并且在其表面積累了高濃度的負電荷，兩者共同促進了二十面體催化活性的提升。該項研究成果為將孿晶結構應用于分子氧氧化反應提供了新的實驗基礎和理論依據。

該項研究得到了科技部青年“973”計劃、國家自然科學基金、國家青年千人計劃等項目的資助。

圖左：Au75Pd25二十面體和八面體的表面應變和電荷布局。右圖：Au75Pd25二十面體在環己烷氧化反應中的催化性能。