张涛院士课题组2019年研究成果集锦
微著 催化计 2020-02-12

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本文由纳米人催化计编辑部联合发布

催化计(ID:icat2019)

 

纳米人编辑部对2019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,中国科学院大连化学研究员、中国科学院副院长张涛研究员课题组。

 

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张涛院士长期从事化学能源化工及催化新材料方面的研究,获得的主要成果包括:2008年在国际上首次发现纤维素一步法催化转化制乙二醇的新反应,开辟了生物质转化新路线;2011年提出了“单原子催化”新概念,现已成为学术界研究前沿;负责研制的新型催化剂广泛应用于我石油化工等领域;三次以第一完成人获国家技术发明二等奖。

 

近年来,张涛院士主要致力于航天无毒推进剂催化分解技术、生物质催化转化、环保催化、单原子催化、纳米催化及催化新材料等方面的研究。

 

下面,我们简要总结了张涛院士课题组2019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文章(不包括序言、短篇评述等),以online时间为准。

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。

 

以下分为四个方面展开:

Part Ⅰ 单原子催化

Part Ⅱ 生物质催化转化

Part Ⅲ 其他催化领域

Part Ⅳ 综述

 

Part Ⅰ 单原子催化

 

1. 高温稳定的高载量单原子催化剂!| Nature Commun.

高度分散的金属原子同时也具有较高的表面能和热力学不稳定性,特别在高温条件下趋向于聚集成金属团簇甚至纳米颗粒,因此通常需要载体表面配位不饱和的缺陷位点来锚定金属原子,但是金属氧化物载体通常表面缺陷数量较少,难以得到高温稳定的高载量单原子催化剂。有鉴于此,中科院大连化物所乔波涛研究员和张涛院士团队在单原子催化方面取得新进展:利用金属-载体共价强相互作用成功制备出耐高温的高载量铂单原子催化剂。该团队在长期探索单原子催化剂的制备和稳定机制的基础上,发现以共沉淀法制备的Pt1/FeOx单原子催化剂在800℃高温焙烧后依然完全保持原子级分散,证明金属与载体之间的强相互作用使单原子催化剂具有优异的热稳定性。据此提出依靠金属-载体共价强相互作用来稳定活性金属,有望使单原子催化剂彻底摆脱载体缺陷位数量对金属载量的限制。

 

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Rui Lang et al. Nondefect-stabilized thermally stable single-atom catalyst. Nature Communications, 2019.

DOI:10.1038/s41467-018-08136-3

https://www.nature.com/articles/s41467-018-08136-3

 

2. 原子级分散Ni甲烷干气重整抗结焦催化剂| Nat Commun.

甲烷干法重整(DRM)又称为甲烷的二氧化碳重整反应,转换过程中甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)在催化剂的作用下生成合成气(合成气,H2+CO),在减缓不断增长的温室气体排放和提供清洁化石燃料利用方面的潜力引发了人们对相关催化技术的巨大兴趣。经过近30年的深入研究,发现镍催化剂是最有前途的DRM催化剂,因为它们具有低成本和可与贵金属催化剂相媲美的高催化活性。然而,目前还没有商业化的DRM工艺,这是因为高温DRM通常会导致金属的严重烧结,从而使催化剂失活,而且在高温下容易形成大量积碳,也会使催化剂失活。因此制备高活性、高稳定性、抗积碳的Ni基催化剂仍是一个巨大的挑战。由分散在固体载体上的孤立的单个金属原子组成的单原子催化剂(SACs)最近成为催化和材料科学的一个新领域。虽然一般认为SACs热力学不稳定,但最近的研究表明,原子分散的金属实际上比其对应的纳米颗粒催化剂更稳定、更持久。有鉴于此,中国科学院大连化学物理研究所的张涛院士和乔波涛研究员等设计制备了一种通过Ce掺杂羟基磷灰石(HAP)导致的强金属-载体相互作用,使Ni单原子保持稳定,而且有利于甲烷中第一个C-H键的选择性活化从而避免了积碳的产生,具有高活性和稳定性DRM。Ni原子分散在HAP上,在DRM过程中对积碳有很强的抵抗能力,因为它们具有只激活CH4中的第一个碳氢键的独特性质,从而避免了甲烷深度分解成积碳,但在烧结过程中容易失活。镍单原子催化剂的优异性能和稳定性为工业干式甲烷重整提供了一条低成本的途径。更重要的是,这一发现为抗积碳DRM催化剂的开发提供了一条新的途径。

 

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Mohcin Akri, et al. Atomically dispersed nickel as coke-resistant active sites for methane dry reforming, Nature Communications, 2019, 10, 5181.

 

DOI: 10.1038/s41467-019-12843-w

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12843-w#citeas

 

3. 揭示Pt1/Fe2O3单原子催化剂中Pt的配位结构与催化活性的关系| Nat. Commun.

非均相单原子催化剂(SAC)研究领域的发展为从分子水平上厘清材料结构与性能的构关系提供了可能。目前,研究的难点在于调控单原子的配位结构的同时要避免单原子的扩散。针对这一问题,大连化物所张涛院士、王爱琴研究员和清华大学李隽教授等开发了一种有效的合成方法来调控单原子的配位结构。具体而言,作者通过使用乙二胺螯合Pt阳离子,然后通过在惰性气氛中快速加热处理(RTT)的方法去除乙二胺,成功实现通过调节RTT的温度对Fe2O3载体上的Pt单原子配位结构进行微调。研究结果表明,随着Pt-O配位数的降低,Pt的氧化态降低,进而实现创纪录的加氢活性,同时保持高的化学选择性。总而言之,本工作展示了单原子配位结构的可调性、氧化态和催化活性的关系,揭示了单原子催化剂作为异相和均相催化领域连接桥梁的独特作用。

 

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Yujing Ren, et al. Unraveling the coordination structure-performance relationship in Pt1/Fe2O3 single-atom catalyst. Nat. Commun., 2019, 10, 4500.

DOI:10.1038/s41467-019-12459-0.

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12459-0

 

Part Ⅱ 生物质催化转化

 

4. 纤维素向高密度航空燃料的转化| Joule

木质纤维素作为一种可再生碳资源,将其转化为运输用液体燃料对保证我国能源安全和我国的二氧化碳减排均非常重要。有鉴于此,大连化学物理研究所李宁研究员、张涛院士等人在长期从事生物质转化研究基础上,首次报道了将纤维素两步法转化为高密度液体燃料。首先,采用氢解反应高选择性地将纤维素转化为2,5-己二酮,并通过反应分离的方法,最终获得71.4 %的2,5-己二酮分离碳收率;随后,采用一个双床层催化系统通过羟醛缩合-加氢-加氢脱氧反应,将2,5-己二酮转化为具有支链结构的C12和C18的多环烷烃燃料,碳收率为74.6 %。该过程获得的多环烷烃具有高密度(0.88 g/mL)和低冰点(225 K)的特性。在实际应用中,该产物可作为高密度先进航空燃料单独使用;亦可以作为燃料添加剂,提高航空煤油的体积热值。

 

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Yanting Liu, et al. Integrated Conversion of Cellulose to High-Density Aviation Fuel. Joule. 2019

DOI:10.1016/j.joule.2019.02.005

https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.02.005

 

5. 木质纤维素平台化合物制备可再生JP-10燃料| Angew.

以木质纤维素为原料合成可再生航空燃料是国际生物质催化炼制的研究热点。目前,国内外已有的木质纤维素航空煤油报道主要集中在合成普通航空煤油。JP-10燃料(挂式四氢双环戊二烯)是一种经典单组份高密度航空燃料。与普通航空煤油相比,JP-10燃料在密度、冰点、热安定性等方面都具有明显的性能优势,因而也被称为“超级燃料”。目前,JP-10燃料通常由来自化石资源的环戊二烯制备,价格较高(约7091美元/吨),且由于原料资源有限,因而无法在民航中得以广泛应用。糠醇是农林废弃物中半纤维素部分获得的一种重要的化学品,迄今已有几十年的工业化生产历史。近日,中科院大连化物所催化与新材料研究中心李宁研究员、张涛院士团队,开发了两条通过木质纤维素平台化合物——糠醇制备可再生JP-10高密度燃料的新路线。可获得大约65%的收率(以碳计算)。经过初步的经济分析,该生物质路线获得的bio-JP-10的成本低于5600美元/吨。根据国外文献报道,未来糠醇的价格有望降至400美元/吨左右,届时JP-10的成本将可降低至2900美元/吨以下,有望实现生物质JP-10的实际应用。

 

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Guangyi Li, et al. Making JP‐10 Superfuel Affordable with a Lignocellulosic Platform Compound. Angewandte Chemie International Edition, 2019. 

DOI: 10.1002/anie.201906744

https://doi.org/10.1002/anie.201906744

 

6. 多功能Mo/Pt/WOx催化剂一锅法串联催化生产纤维素乙醇| Joule

纤维素作为自然界最丰富的生物质资源,可大量来源于农林废弃物,其不可食用的特征使其成为理想的可再生碳资源用来生产燃料和化学品,纤维素乙醇是最重要的生物燃料之一。然而到目前为止,利用生物发酵的技术生产纤维素乙醇仍然面临各种技术经济上的挑战。有鉴于此,探索非生物转化路线生产纤维素乙醇具有重要的意义。中科院大连化物所的张涛和王爱琴团队一直致力于生物质中C-C键和C-O键选择性断裂制备重要小分子醇的研究。该团队首创了纤维素氢解制乙二醇的催化转化反应,发现了含钨(W)化合物在催化纤维素C-C键选择性断裂反应中的独特作用,并提出了纤维素可以经由先氧化酯化、再加氢还原制备乙醇的二步法。在此基础上,他们结合甘油氢解制1,3-丙二醇的催化剂研究,提出了一种新的Mo/Pt/WOx多功能催化剂,将纤维素氢解制乙二醇和乙二醇氢解制乙醇巧妙地耦合起来,实现了纤维素直接氢解制乙醇的过程,乙醇碳收率达到43.2%。同时该催化剂还表现出了优异的稳定性和抗CO中毒性能,使其在未来的实际应用中具有较大的潜力。通过多种光谱表征,该研究团队提出了如图所示的5OMo-Pt-WOx活性位结构,其中MoO5呈现配位不饱和的单分散形式,通过与纳米Pt表面的相互作用,进而调变Pt-WOx的电子相互作用,促进乙二醇氢解为乙醇的反应。

 

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Man Yang, et al. One-Pot Production of Cellulosic Ethanol via Tandem Catalysis over a Multifunctional Mo/Pt/WOx Catalyst. Joule, 2019.

DOI: 10.1016/j.joule.2019.05.020

https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.05.020

 

Part Ⅲ 其他催化领域

 

 

7. Ir/H-Beta催化剂一锅法将赖氨酸转化为己内酰胺|Green Chemistry

氨基酸赖氨酸可以作为合成己内酰胺(CPL)的理想生物原料,而己内酰胺是石油衍生的重要单体。近日,中国科学院大连化学物理研究所郑明远研究员和张涛院士等人利用双功能金属负载催化剂上的氢化反应将L-赖氨酸一锅转化为CPL。在各种加氢金属和不同载体中,Ir与HB分子筛的组合性能最好。在最优条件下,2Ir/HB-124催化剂在250℃高压釜或固定床反应器中,L-赖氨酸的CPL产率为30 %,反应中间体α-二甲基氨基己内酰胺 (DMAC)的产率为58%。而且反应溶剂对反应的选择性影响显著,甲醇被发现是最好的溶剂,这是因为它可以促进形成α-二甲基氨基己内酰胺以及C-N(CH3)2中C-N键的破坏。催化剂的酸性位点可以加速内酰胺的形成,酸性位点和氢化位点之间的协同作用有利于C-N键氢解生成CPL。HB分子筛的大孔径可以容纳较大的反应中间分子,确保了Ir/HB的高催化性能。该工作确定了首先L-赖氨酸经过环化和N-甲基化反应生成DMAC,然后C-N(CH3)2键氢化反应生成CPL的反应路线。Ir/HB催化剂具有较好的稳定性和较高的选择性,这使得这种一锅转化法成为一种可以从可再生原料中生产CPL的新方法。

 

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Joby Sebastian, et al. One-pot conversion of lysine to caprolactam over Ir/H-Beta catalysts. Green Chemistry, 2019.

DOI: 10.1039/c9gc00415g

 

 

 

Part Ⅳ 综述

 

8. 负载型金属催化剂上的选择性加氢:从纳米粒子到单原子| Chem. Rev.

选择性催化加氢在石化和精细化工行业都有广泛的应用,然而,当底物中同时存在两个或多个官能团时,选择性加氢仍然具有挑战性。“活性位点隔离”是应对这一挑战的有效策略,已经开发出多种方法来进行位点隔离。近日,中科院大连化物所张涛、王爱琴等对这些方法进行了总结,包括在金属表面吸附/接枝含N/S的有机分子;通过掺杂或强金属-载体相互作用用金属氧化物部分覆盖活性金属表面;将活性金属纳米颗粒限域在微孔或中孔载体;生成具有相对惰性的金属(IB和IIB)或非金属元素(B,C,S等)的双金属合金或金属间化合物或核壳结构;以及在可还原氧化物或惰性金属上构建单原子催化剂。作者讨论了每种隔离方法对炔烃/二烯生成单烯,α,β-不饱和醛/酮生成不饱和醇,以及硝基芳烃生成相应的苯胺这三种类型的化学选择性加氢反应的优点和缺点。作者还讨论了影响催化活性/选择性的关键因素,特别是活性位的几何结构和电子结构,目的是理解开发高效和高选择性氢化反应及其它转化反应催化剂的基本原理。

 

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Leilei Zhang, Maoxiang Zhou, Aiqin Wang* and Tao Zhang*. Selective Hydrogenation over Supported Metal Catalysts: From Nanoparticles to Single Atoms. Chem. Rev., 2019.

DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00230

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.9b00230

 

9. 单原子催化剂高效催化转化二氧化碳| Acc. Chem. Res.

“单原子催化”的概念由张涛、清华大学李隽教授及美国亚利桑那州立大学刘景月教授于2011年共同提出。近年来,“单原子催化”的概念得到了迅速发展,围绕这一概念国内外众多课题组在电催化、光催化和传统多相催化等领域取得突出研究进展。近日,中科院大连化物所的黄延强研究员和张涛院士、新加坡南洋理工大学刘彬教授等人总结了单原子催化剂用于二氧化碳催化转化领域的研究进展。该团队长期致力于二氧化碳的热、电催化转化研究,他们首先举例说明了他们最近在单原子催化剂催化CO2转化方向的研究。在单原子催化中,载体的选择对其稳定性、活性和选择性都有重要影响。从不同反应环境下SACs载体设计的角度,重点讨论了三种不同的SAC结构策略——晶格匹配的氧化物载体、杂原子掺杂的碳锚定和模拟配体螯合。单原子催化剂结构的特殊性为二氧化碳的活化和定向转化研究提供了一种理想模型。该团队利用IrO2与金红石型TiO2晶型相同、晶格匹配高的特性,制备出具有高热稳定性的Ir1/TiO2单原子催化剂,并实现CO2高选择性转化制CO;与新加坡南洋理工大学合作,开发出一种氮掺杂石墨烯锚定的Ni单原子催化剂,利用Ni单原子最外层3d未成对电子易于离域化的特点,形成带负电的Ni-CO2δ-结构,实现了高效电化学还原CO2制CO;模拟均相催化剂对CO2分子的低温高效转化机制,研制出含吡啶-酰胺基团的多孔有机聚合物载体负载的单原子Ir催化剂,成功实现CO2的“准均相”活化与催化应用。这些SACs对于CO2的转化至关重要,它们的协调环境有助于CO2的活化。由于CO2的第二碳氧键在单原子位点上的能量势垒非常高,这些催化剂对CO或甲酸盐产物具有很高的选择性。由于有了SACs,二氧化碳在各种化学环境中的转化变得容易多了。这些研究成果为高效CO2还原催化剂的设计提供了新思路。

 

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Xiong Su, Xiao-Feng Yang, Yanqiang Huang, Bin Liu, Tao Zhang. Single-Atom Catalysis toward Efficient CO2 Conversion to CO and Formate Products. Accounts of Chemical Research, 2019.

DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00478

https://doi.org/10.1021/acs.accounts.8b0047

 

10. 负载型贵金属单原子催化剂用于多相催化的研究进展|AM

单原子催化剂(SACs)是一种新型的催化材料,具有独特的催化性能,在催化领域具有广阔的应用前景。为了构建具有精确结构和高密度的单原子位点的SACs,同时要防止单原子聚合为纳米颗粒。近年来,通过改善载体上活性位点的分布和化学键合,开发出了多种化学合成方法,这使得催化剂在各种催化反应中具有优异的活性和选择性。近日,中科院大连化物所的黄延强研究员和张涛院士、新加坡南洋理工大学刘彬教授讨论了贵金属基的SACs,首先介绍了它们的结构特性、化学合成和催化应用,然后重点讨论了其构效关系和潜在的催化机制,包括表面物种和载体还原性对活性和稳定性的影响,受金属/载体相互作用调节的单原子中心独特的结构和电子性质对催化活性和选择性的影响,以及通过抑制多原子而得到的改性催化机理如何涉及催化路径。最后,他们展望了这一领域的发展前景,并分析了面临的挑战。该工作有利于促进用于多相催化的负载型贵金属单原子催化剂的进一步发展。

 

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Xuning Li, Xiaofeng Yang, Yanqiang Huang, Tao Zhang, Bin Liu. Supported Noble‐Metal Single Atoms for Heterogeneous Catalysis. Advanced Materials, 2019.

DOI: 10.1002/adma.201902031

https://doi.org/10.1002/adma.201902031

 

除此之外,张涛院士课题组2019年在环保催化/生物质催化转化等方面还发表了一系列重要成果,由于内容较多,在此不一一列出。感兴趣的读者可前往张涛院士课题组网站学习。

 

http://www.taozhang.dicp.ac.cn/

 

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张涛院士简介

 

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张涛,中国科学院大连化学物理研究所研究员。2012年当选英国皇家化学会会士。2013年当选为中国科学院院士。2016年出任中国科学院副院长、党组成员。2018年当选发展中国家科学院院士。曾获中国科学院“参加载人工程突出贡献者”称号,是首批“新世纪百千万人才工程”国家级人选。2003年获国家自然科学杰出青年基金,2008年获得中国催化青年奖,2009年获全国“五一劳动奖章”、周光召基金会“应用科学奖”和中国科学院杰出科技成就奖,2016年获何梁何利科技进步化学奖,2018首届“中国科学材料·创新奖”。担任国际期刊Applied Catalysis B: Environmental、ChemPhyChem、ACS Sustainable Chemistry & Engineering和Industry & Engineering Chemistry Research编委或者顾问编委,《催化学报》共同主编。

 

(注:以上简介及文中海报整理自网络及张涛院士课题组网站)


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