​中科大校长丨包信和院士课题组2020年代表性成果集锦!
纳米人编辑部 2021-01-08
撰文丨雨辰

校审丨南方

纳米人编辑部对2020年国内外重要科研团队的代表性重要成果进行了梳理,今天,我们要介绍的是中国科学院院士、发展中国家科学院院士、中国科学技术大学校长、中国科学院大连化学物理研究所包信和研究员课题组

包信和院士长期从事从事能源高效转化相关的表面科学和催化化学基础研究,以及新型催化剂研制和开发工作,首次提出纳米限域催化新概念,是国际催化领域的领军人物之一。包信和院士课题组在催化相关的表面科学和催化化学基础研究,新型催化材料的开发以及能源清洁高效转化过程等领域做出了重要贡献,研究领域主要包括金属催化剂的表面化学和纳米催化理论,多孔材料的合成与表征,甲烷活化、合成气催化转化以及小分子选择氧化等。

值得一提的是,2020年,包信和院士作为第一完成人的项目《纳米限域催化》被提名为国家自然科学一等奖,项目团队成员还包括中科院大连化物所潘秀莲研究员、傅强研究员、邓德会研究员。

包信和院士课题组的代表性成果包括但不限于:
1)在国际上首次提出了“纳米限域催化” 新概念,阐述了纳米限域条件下催化剂活性中心的结构、电子特性和催化活性间的关联机制和作用规律,并在一维碳管、二维界面和三维晶格中获得拓展和完善,初步形成了理论体系;
2)开发了晶格限域的单铁催化剂,甲烷活化和天然气高效利用理论和技术突破了近百年来的瓶颈;
3)首创氧化物和分子筛纳米复合催化剂及催化过程(Ox-Zeo),成功实现煤基合成气一步转化直接制低碳烯烃,从原理上创立了一条低耗水的煤转化新途径;
4)发现次表层氧对金属银催化选择氧化的增强效应,揭示了次表层结构对表面催化的调变规律,制备出具有独特低温活性和选择性的纳米催化剂,解决了重整氢气中微量CO造成燃料电池电极中毒失活的难题;
5)发现了纳米催化体系的协同限域效应,研制成碳管限域的纳米金属铁催化剂和纳米Rh-Mn催化剂,使催化合成气转化的效率成倍提高。

1.jpg

有鉴于此,纳米人编辑部简要总结了包信和院士课题组2020年部分研究成果,供大家交流学习。
1)由于相关论文数量较多,本文仅限于通讯作者论文,如有重要遗漏,欢迎留言补充。
2)由于学术有限,所选文章及其表述如有不当,敬请批评指正。
3)由于篇幅限制,部分成果未列入编号,仅以发表截图展示。

2020年,包信和院士团队主要集中于纳米限域催化、能源催化转化、合成气催化转化以及表面科学等领域的研究。尤其是系统阐述了C1分子转化的十年里程碑进展,以及铠甲催化的理念,为纳米限域催化和小分子催化转化的未来发展指明了方向。其中,关于C1化学的前瞻性文章被光明网转载报道。

按照一贯的风格,包信和院士课题组发表的论文数量不算多,但质量都非常过硬。下面,我们简要介绍2020年的部分重要成果,希望对相关领域读者有所启发。

1. C1化学的选择性催化丨Chem
C1分子(例如CO,CO2,CH4,CH3OH)的催化转化为燃料和增值化学品是化学工业中至关重要的过程,其与能源和环境影响密切相关。但是,由于复杂和可变的转化过程,选择性控制,节能和减排仍然是C1化学面临的巨大挑战。有鉴于此,中科院大连化物所包信和院士,邓德会研究员简要综述了过去十年中C1分子转化的最新进展和里程碑。

1610094773890076.jpg

作者着重总结了新的催化反应过程,例如将甲烷直接转化为乙烯,芳烃和氢气(MTOAH),室温甲烷转化,将合成气转化为轻质烯烃的氧化物-沸石(OX-ZEO)工艺,将CO2加氢为醇和烃的方法,电催化将CO还原为乙烯(ECOTE),室温电化学水煤气变换(RT-EWGS)以及光驱动的甲醇为乙二醇(MTEG)。

作者最后指出,尽管C1分子转化已经取得了很大的进步,但是仍面临许多挑战需要解决,包括:
1)CH4的化学惰性是C1化学中最具挑战性的反应过程;
2)合成气转化和CO2加氢成C2+烃类产品是C1化学领域中极具研究吸引力。然而,这两个反应中的产物通常都遵循ASF分布,因此很难实现对特定产物的高选择性;
3)规模化制氢的WGS反应受到贵金属的高成本和低储量的严重限制;
4)从扩大生产规模的角度来看,如何以高能源效率实现单一产品的高产量仍然是一个巨大的挑战。

Liu et al., Catalysis for Selected C1 Chemistry, Chem (2020).
DOI: 10.1016/j.chempr.2020.08.026
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.08.026

2. 铠甲催化剂丨Angew
将过渡金属纳米颗粒封装在碳纳米管(CNT)或球体内部已经成为设计高度耐用的非贵金属催化剂的一种新颖策略。稳定的碳层可保护内部金属核免受破坏性反应环境的影响,因此将这种催化剂生动地称为“铠甲催化剂”。电子从活性金属核到碳层的转移激发了碳表面独特的催化活性,在各种催化反应体系中得到了广泛的应用。有鉴于此,大连化物所包信和院士,邓德会研究员详细阐述了铠甲催化剂的基本工作原理以及确定其催化性能的关键因素,并提供了对此类催化剂结构的理化性质的深入了解,以便将该策略进一步应用于合理的催化剂设计中。

铠甲碳层被内部铁纳米颗粒与碳之间的电子相互作用和诱导的电荷重新分布所激活,并已成为催化剂的一部分,在那里促进了O2的吸附和解离,并引发了ORR。作者详细阐明了决定铠甲催化剂催化性能的主要因素。铠甲催化剂由铠甲层和包裹的金属纳米颗粒两部分组成。催化活性来源于铠甲层的局域电子态的扰动和电子从金属纳米颗粒向外表面的转移。催化的耐久性则取决于铠甲材料的内在稳定性,因此,这两部分的物化性质对催化性能有重要影响。

3.png
Liang Yu, Dehui Deng, Xinhe Bao, Chain Mail for Catalysts, Angew. Chem. Int. Ed., 2020.
DOI: 10.1002/anie.202007604
https://doi.org/10.1002/anie.202007604

3. 限域Pd单原子丨Nano Energy
通过固体氧化物电解槽(SOEC)进行的CO2电解以CO为主要产物,具有过电位低、电流密度大、能量效率高等优点,被越来越多的人关注,其可以通过费托合成(FT)进一步转化为化学和液体燃料。但由于传统Ni-YSZ阴极在长期高温运行过程中的不稳定性,开发高效的钙钛矿氧化物阴极对促进SOECs中的CO2电解仍然是一个巨大的挑战。

有鉴于此,中国科学院大连化学物理研究所包信和院士与汪国雄研究员构造了Pd单位点固定的La0.5Sr0.5FeO3-δ-Ce0.8Sm0.2O2-x(Pd-LSF(SDC))阴极,用于在固体氧化物电解槽中进行CO2电解。Pd修饰的LSF是通过球磨和随后的煅烧制备而成,电化学和密度泛函理论计算结果表明,Pd在周围氧环境下的作用下被固定在LSF相上。与LSF相比,Pd修饰的LSF极大地改善了CO2电解性能,其在1.6 V时电流密度提高了65.7%。具有氧空位的配位不饱和Pd促进了CO2的解离吸附、电子转移和质量传递,从而大大降低了阴极的极化电阻并提高了CO2的电解性能。这项工作为设计用于高温CO2电解的负载型单位点催化剂提供了有效的策略。

4.png
Yingjie Zhou et al. Pd single site-anchored perovskite cathode for CO2 electrolysis in solid oxide electrolysis cells. Nano Energy 2020, 71, 104598.
DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104598
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104598

4.合成气高选择性制二甲苯| ACS Catal
通过氧化物和分子筛复合材料在通过合成气制备芳基分子产物中展现了较好的结果,但是对产物中苯、甲苯、二甲苯进行选择仍具有较大的挑战。有鉴于此,大连化物所包信和、潘秀莲等通过MnCr-ZSM-5双催化剂连续催化(hybrid dual-bed)反应,显著增强了反应中对二甲苯的选择性。

研究表明,当催化剂中的分子筛选择β型分子筛,实现了高达80 %的二甲苯选择性;当选择超稳Y型分子筛,实现了88 %的二甲苯选择性。当分子筛外部的酸位点被消除,催化剂能够提高对二甲苯的选择性,但是当ZSM-5分子筛表面负载了较多的SiO2,抑制了二甲苯的扩散,降低了二甲苯的选择性。

5.png
Dengyun Miao, Yi Ding, Tie Yu, Jian Li, Xiulian Pan*, and Xinhe Bao*. Selective synthesis of benzene, toluene and xylenes from syngas, ACS Catal, 2020.
DOI: 10.1021/acscatal.9b05200
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.9b05200

5. Ni(111)表面的动态观测丨Nano Research
面内二维异质结构能够整合不同二维材料的优点,拓展其在光学、电学器件领域内的应用,然而外延异质结构的可控制备和规模化生产,尤其是微观构建机理仍有待进一步研究。有鉴于此,中科院大连化物所包信和院士和中国科学院苏州纳米所崔义研究员等人,以Ni(111)表面上的化学气相沉积方法直接外延生长六方氮化硼/石墨烯面内异质结构为主线,借助表面原位动态成像技术,系统的研究了六方氮化硼作为成核模板在构建外延异质结构中的作用。

研究表明,当六方氮化硼的生长顺序先于石墨烯时,石墨烯倾向于沿着外延六方氮化硼边界生长并形成外延石墨烯,进而拼接成单一取向的外延异质结构。当石墨烯先成核时,由于Ni(111)基底中的近表层碳物种削弱了石墨烯/Ni(111)界面相互作用,导致非外延石墨烯产生。以此为模板继续生长六方氮化硼所构建的异质结构也是非外延的,将难以获得高质量的二维异质结材料。此外,该研究还揭示了六方氮化硼在Ni(111)表面上的生长动力学遵循表面扩散控制机理而不是边界反应控制机理。

1610094868407968.jpg
Wei Wei et al., Dynamic observation of in-plane h-BN/graphene heterostructures growth on Ni(111). Nano Research, 2020.
DOI: 10.1007/s12274-020-2638-7
https://doi.org/10.1007/s12274-020-2638-7

6. 厘清双功能模型催化剂上的活性位点丨Applied Surface Science
羟基化氧化物表面在许多催化、能源和环境过程中起着重要的作用。有鉴于此,中国科学技术大学包信和院士和中国科学院大连化学物理研究所傅强研究员等人,分别在超高真空,H2和H2O气氛下,通过X射线光电子能谱和高分辨率电子能量损失谱研究了在Pt(111)上生长的ZnO(ZnOx)覆盖层的表面羟基化。

表面科学测量和H-D交换实验证实,H2和H2O的表面解离导致ZnOx涂层的表面羟基化。裸露的Pt表面以及ZnOx和Pt之间的界面对于H2的表面羟基化至关重要,而ZnOx表面本身对H2O的分解具有活性。H2O主要与缺氧的ZnOx覆盖层发生反应,富O的ZnOx覆盖层主要是与H2或H原子物种发生反应.

7.jpg
Nan Su et al., Active sites for H2 and H2O activation over bifunctional ZnO-Pt(111) model catalysts. Applied Surface Science, 2020.
DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.144204
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.144204

8.png

9.png

除此之外,包信和院士课题组2020年还在电催化CO2还原、合成气催化转化、小分子催化、碳基资源的电催化转化、二维热电材料等方面还发表了一系列成果,由于内容较多,在此不一一列出。感兴趣的读者可前往包信和院士课题组网站学习。

1610094914413175.jpg

重要理念

包信和院士在接受采访时说到:“我们国家要成为创新型国家,走科技强国的道路,没有创新是无法实现的。以国家利益为重,以学生的发展为中心,把为国家和人民做贡献,为国家培养更多人才作为自己的使命。”

“人才培养、科学研究、社会服务、文化传承和国际合作是大学的五大使命。这其中,本科生培养更是重中之重


1610094933692017.jpg

包信和院士简介:

包信和,男,汉族,1959生于江苏扬中。1987年获复旦大学理学博士学位,曾在德国马普学会Fritz-Haber研究所任访问学者。2009年当选中国科学院院士,2009年当选为中国科学院院士,2011年当选为发展中国家科学院院士,2016年当选为英国皇家化学会荣誉会士。先后担任中国科学院大连化学物理研究所所长、中国科学院沈阳分院院长和复旦大学常务副校长,现任中国科学技术大学校长。

1995年获国家杰出青年基金资助,先后获得香港求是“杰出青年学者奖”(1996),国家自然科学二等奖(2005),辽宁省自然科学一等奖(2009),何梁何利科学与技术进步奖(2012),周光召基金会基础科学奖(2015),中国科学院杰出科技成就奖(2015),第五届中国化学会-中国石油化工股份有限公司化学贡献奖(2016),国际天然气转化杰出成就奖(2016),德国催化学会AlwinMittasch奖(2017)等奖项。2014年获第六届十佳全国优秀科技工作者称号,研究成果获两院院士评选2014年度中国十大科技进展新闻和2014年度中国十大科学进展。

担任J. of Energy Chemistry 期刊共同主编,《中国科学》、《国家科学评论(NSR)》,以及Angew. Chem、Energy & Env. Sci.、Surf. Sci. Report和Chemical Sci.和ChemCatChem等学术期刊编委和顾问编委。在国际知名刊物上发表SCI论文700余篇,申报国际、国内专利200余件。
(注:以上简介及文中海报整理自网络及包信和院士课题组网站)

包信和院士课题组网站:
http://fruit.dicp.ac.cn/Introduction.htm

加载更多
6063

版权声明:

1) 本文仅代表原作者观点,不代表本平台立场,请批判性阅读! 2) 本文内容若存在版权问题,请联系我们及时处理。 3) 除特别说明,本文版权归纳米人工作室所有,翻版必究!
纳米人
你好测试
copryright 2016 纳米人 闽ICP备16031428号-1

关注公众号