直接甲醇燃料電池陽極新型納米電催化劑

原子層沉積（atomic layer deposition，ALD）是一種先進(jìn)的薄膜沉積技術(shù)。利用ALD的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，可設(shè)計(jì)合成新型高效納米催化劑，并可精確地調(diào)控催化劑的表界面結(jié)構(gòu)。中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所煤轉(zhuǎn)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員覃勇帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，利用ALD技術(shù)設(shè)計(jì)制備出一種多重限域的Ni基加氫催化劑。與未限域的催化劑相比，多重限域的Ni基催化劑對(duì)于肉桂醛以及硝基苯的加氫催化反應(yīng)的活性、穩(wěn)定性得到顯著的提高。相關(guān)工作近日發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.。

該方法具有普適性，可以用來合成其他體系的限域催化劑，用于催化不同的反應(yīng)，為未來高效納米催化劑的設(shè)計(jì)提供了重要的科學(xué)參考。

金屬—氧化物載體的界面結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈影響多相催化劑的性能。精確地設(shè)計(jì)、調(diào)控界面結(jié)構(gòu)，對(duì)于新型高效催化劑的制備非常重要。該研究團(tuán)隊(duì)利用ALD技術(shù)，以碳納米螺旋或者碳納米管為模板，在模板表面首先沉積NiO納米粒子，然后再沉積Al₂O₃納米薄膜，經(jīng)過煅燒、還原處理后，得到氧化鋁納米管（ANT）包覆的Ni催化劑（Ni-in-ANTs）。這樣的途徑使得Ni粒子不僅被限域在氧化鋁納米管中，還被嵌在氧化鋁納米管內(nèi)壁的凹坑中，稱之為多重限域。改變NiO納米粒子和Al₂O₃納米薄膜的沉積順序，經(jīng)過煅燒、還原處理，制備出Ni粒子負(fù)載在納米管外壁的未限域催化劑（Ni-out-ANTs）。大量的表征結(jié)果證明，二者具有相同的Ni含量、Ni納米粒子尺寸、氧化鋁納米管管壁厚度、孔道結(jié)構(gòu)以及Ni還原度。然而，對(duì)于肉桂醛以及硝基苯催化加氫反應(yīng)，Ni基多重限域催化劑的活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未限域的催化劑。這是由于限域催化劑中的Ni粒子被限域在氧化鋁納米管內(nèi)壁的凹坑中，具有了更多的Ni-Al₂O₃界面位點(diǎn)，其金屬-載體之間的相互作用更強(qiáng)，促進(jìn)了氫溢流現(xiàn)象，從而提高了催化劑的加氫反應(yīng)活性。另外，氧化鋁納米管可以保護(hù)限域在其中的Ni粒子，阻止其在反應(yīng)中脫落、溶釋，使得多重限域催化劑比未限域的催化劑具有更好的循環(huán)使用穩(wěn)定性。