爱游戏app

En

科研進展

2021年11月05日
中國科大提出納米催化劑抗燒結的穩定性理論

近日(ri),愛游戲app李(li)微雪(xue)教授所領導的理(li)論(lun)與計算催化(hua)團隊經過八年攻關,提出并建立了(le)界面作用調控納(na)米催化(hua)劑生長動力學(xue)理(li)論(lun)和(he)雙功能載體高通(tong)量篩選策略,為理(li)性設計和(he)篩選穩(wen)定(ding)的抗(kang)燒結(jie)納(na)米催化(hua)劑提供了(le)參考。研究成果11月5日(ri)在(zai)線發(fa)表于《科學(xue)》(Science)上。

高(gao)(gao)活(huo)性、高(gao)(gao)選(xuan)擇性、高(gao)(gao)穩(wen)定(ding)(ding)性的(de)(de)(de)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)設計研發(fa),對于提高(gao)(gao)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)反(fan)應效(xiao)率(lv)、節能(neng)降耗并對我國實現雙(shuang)碳目標具有重(zhong)要意義,迫切需(xu)要先進催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)理論的(de)(de)(de)發(fa)展和(he)指(zhi)導(dao)(dao)。其中(zhong),納米(mi)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)因其高(gao)(gao)的(de)(de)(de)原子利用率(lv)和(he)量(liang)子效(xiao)應的(de)(de)(de)存(cun)在(zai),作為多相催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)研究的(de)(de)(de)前(qian)沿長期以來(lai)受到(dao)廣泛關(guan)注并取得了巨大進展。然而,包括(kuo)納米(mi)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)在(zai)內(nei)的(de)(de)(de)穩(wen)定(ding)(ding)性問題(ti)正成為催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)面(mian)向產(chan)業化(hua)(hua)(hua)(hua)以實現高(gao)(gao)效(xiao)的(de)(de)(de)化(hua)(hua)(hua)(hua)工生(sheng)(sheng)產(chan)、能(neng)源和(he)環境催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)轉化(hua)(hua)(hua)(hua)以及實現雙(shuang)碳目標過程中(zhong)生(sheng)(sheng)死攸關(guan)的(de)(de)(de)主要瓶頸之一(yi)。全(quan)球每年因工業催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)(ji)(ji)(ji),以熱誘導(dao)(dao)和(he)化(hua)(hua)(hua)(hua)學誘導(dao)(dao)的(de)(de)(de)納米(mi)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)生(sheng)(sheng)長團(tuan)聚(圖1A)為代(dai)表的(de)(de)(de)失活(huo)引(yin)起的(de)(de)(de)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)替換、再生(sheng)(sheng)成本達數百(bai)億人民幣。對貴金屬催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)日漸攀(pan)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)需(xu)求,也亟需(xu)解(jie)決(jue)其納米(mi)化(hua)(hua)(hua)(hua)所帶來(lai)嚴峻(jun)的(de)(de)(de)穩(wen)定(ding)(ding)性問題(ti)。目前(qian),納米(mi)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)穩(wen)定(ding)(ding)性研究仍(reng)缺乏一(yi)般性原理和(he)基(ji)礎理論指(zhi)導(dao)(dao),導(dao)(dao)致催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)壽(shou)命試錯(cuo)實驗成本高(gao)(gao)且耗時,極大制約了高(gao)(gao)活(huo)性、高(gao)(gao)選(xuan)擇性納米(mi)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)工業化(hua)(hua)(hua)(hua)進程。

愛游戲(xi)app李(li)微雪(xue)教授和(he)(he)(he)團隊成(cheng)員胡素磊(lei)博(bo)士使(shi)用(yong)以人(ren)工智(zhi)能和(he)(he)(he)大(da)數(shu)(shu)據(ju)分(fen)(fen)析為(wei)代表的(de)(de)數(shu)(shu)據(ju)驅動科學(xue)(xue)發(fa)現研(yan)究(jiu)范式(shi),積(ji)極(ji)探索(suo)控制(zhi)納(na)米材料生(sheng)(sheng)長的(de)(de)基(ji)(ji)本原理(li),以熱誘導和(he)(he)(he)化(hua)學(xue)(xue)誘導納(na)米催化(hua)劑生(sheng)(sheng)長動力(li)學(xue)(xue)為(wei)著眼(yan)點,揭示(shi)了(le)金屬與(yu)載體(ti)界(jie)面作(zuo)用(yong)的(de)(de)線性標(biao)度(du)關系和(he)(he)(he)相應的(de)(de)描述符,建立了(le)界(jie)面作(zuo)用(yong)控制(zhi)納(na)米催化(hua)劑生(sheng)(sheng)長動力(li)學(xue)(xue)和(he)(he)(he)抗(kang)燒(shao)結(jie)性的(de)(de)理(li)論(lun)方(fang)(fang)法。該理(li)論(lun)被基(ji)(ji)于第(di)一性原理(li)神經網絡勢函數(shu)(shu)大(da)規(gui)模分(fen)(fen)子(zi)動力(li)學(xue)(xue)模擬(ni)和(he)(he)(he)大(da)量(liang)已發(fa)表實驗數(shu)(shu)據(ju)證實。在此基(ji)(ji)礎(chu)上,進一步提出(chu)了(le)利用(yong)雙功能載體(ti)打破標(biao)度(du)關系限制(zhi)的(de)(de)高通量(liang)篩選策(ce)略,為(wei)改進納(na)米催化(hua)劑的(de)(de)抗(kang)燒(shao)結(jie)穩定性提供了(le)理(li)論(lun)研(yan)究(jiu)方(fang)(fang)法。

圖1.燒結機理和標度關系。(A)粒子遷移團聚與熟化示意圖;(B)金屬原子在載體上的擴散能壘與金屬原子在載體上吸附能間的標度關系;(C)約化的金屬原子吸附能和金屬納米粒子與載體的粘附能間的標度關系;(D)負載金屬納米粒子的化學勢隨尺寸的變化關系。

具體來說,該團隊在數據驅動(dong)分(fen)析1252組金屬(shu)催化劑(ji)與載體界(jie)面作用(yong)能的(de)(de)基礎(chu)上(shang),揭示(shi)了金屬(shu)原子(zi)與載體表面上(shang)吸附(fu)能分(fen)別與金屬(shu)原子(zi)擴散能壘(圖1B)、金屬(shu)納(na)米粒子(zi)粘附(fu)能之間的(de)(de)線性標(biao)度關(guan)系(圖1C),確(que)(que)定了金屬(shu)與載體相互作用(yong)的(de)(de)描述符,建立了考慮界(jie)面作用(yong)和尺寸效應的(de)(de)金屬(shu)納(na)米粒子(zi)化學(xue)勢的(de)(de)準(zhun)確(que)(que)計算方法(圖1D),為(wei)大(da)規模計算研究納(na)米催化劑(ji)生(sheng)長動(dong)力學(xue)奠定了基礎(chu)。

該(gai)團(tuan)隊結合研究了323種單組分(fen)載(zai)體負載(zai)的納(na)米催化(hua)(hua)劑(ji)生長速率和金屬與載(zai)體界面(mian)作(zuo)(zuo)用強度(du)(du)之間(jian)的關系(xi),揭示存(cun)在有一(yi)般性的火山(shan)型(xing)依(yi)賴關系(xi)(圖2),由此提出了界面(mian)作(zuo)(zuo)用調(diao)控納(na)米催化(hua)(hua)劑(ji)抗燒結的Sabatier作(zuo)(zuo)用原理:界面(mian)作(zuo)(zuo)用既不能太(tai)強,否(fou)則會導致以熟化(hua)(hua)的方式失活(huo);也(ye)不能太(tai)弱,否(fou)則會導致以粒子遷(qian)移碰撞的機制(zhi)失活(huo)。在單組分(fen)載(zai)體上(shang),由于界面(mian)作(zuo)(zuo)用標度(du)(du)關系(xi)的限制(zhi),僅當(dang)界面(mian)作(zuo)(zuo)用強度(du)(du)取值適中時,納(na)米催化(hua)(hua)劑(ji)穩(wen)定性達(da)到最優,其耐燒結溫度(du)(du)為金屬熔點(dian)一(yi)半(ban),即長期以來經(jing)驗發現的所謂塔曼溫度(du)(du)。

圖2.納米催化劑穩定性的Sabatier作用原理。(A)納米催化劑燒結開啟溫度對原子吸附能的火山型依賴關系。(B)開啟溫度對約化的界面相互作用描述符的火山型關系。(C)用金屬體相材料熔點約化的開啟溫度與接觸角間的普適火山關系圖。

該團隊以納米金Au催化(hua)劑為例,檢索收集了大(da)(da)量已發表的(de)(de)實驗數據,實驗結果與理(li)(li)論(lun)預測高度一(yi)致(圖3A)。另(ling)外還展開了基于第一(yi)性(xing)原(yuan)理(li)(li)神(shen)經網絡勢函(han)數的(de)(de)大(da)(da)規(gui)模(mo)分子動力(li)學(xue)模(mo)擬,從微觀理(li)(li)論(lun)模(mo)擬上直接證(zheng)明了界(jie)面作用調控(kong)納米催化(hua)劑抗燒結性(xing)的(de)(de)調控(kong)原(yuan)理(li)(li)(圖3B-G),進一(yi)步確(que)(que)認了該作用原(yuan)理(li)(li)的(de)(de)正(zheng)確(que)(que)性(xing)。在對貴金屬Pt,Rh研(yan)究(jiu)中(zhong),已發表的(de)(de)實驗也(ye)很好地驗證(zheng)了理(li)(li)論(lun)的(de)(de)正(zheng)確(que)(que)性(xing)。

圖3.抗燒結性Sabatier原理的實驗和理論證明。(A)負載Au納米催化劑的模擬燒結開啟溫度及其實驗數據對比。(B-G)第一性原理神經網絡勢函數分子動力學模擬。

圖4.超越火山型關系雙功能載體的設計和高通量篩選。(A)強和弱界面相互作用組成的雙功能載體。(B)CeO2-x@ZrO2(111)雙功能載體穩定Au團簇。(C)高通量篩選6724種雙功能載體。

對于(yu)高溫催(cui)化(hua)反應(ying)和(he)小尺寸納(na)米催(cui)化(hua)劑(ji)(ji),穩定性問題變得(de)更為(wei)嚴峻,單組分(fen)載(zai)(zai)(zai)體(ti)無法滿足相(xiang)應(ying)的要求。該(gai)團隊提(ti)出將強(qiang)和(he)弱(ruo)兩種不同(tong)界面相(xiang)互作用(yong)(yong)強(qiang)度的載(zai)(zai)(zai)體(ti)組合起(qi)來分(fen)別抑制(zhi)納(na)米粒(li)子遷移(yi)碰撞和(he)熟化(hua)兩個(ge)過(guo)程(cheng)(圖(tu)4A-B),從而打破了金屬與載(zai)(zai)(zai)體(ti)界面作用(yong)(yong)標度關(guan)系和(he)火山(shan)圖(tu)的限制(zhi)。以納(na)米金催(cui)化(hua)劑(ji)(ji)為(wei)例、高通量篩選了6724種雙功(gong)能(neng)(neng)載(zai)(zai)(zai)體(ti),預測了大量雙功(gong)能(neng)(neng)載(zai)(zai)(zai)體(ti)使該(gai)催(cui)化(hua)劑(ji)(ji)耐(nai)燒結溫度遠超其塔曼溫度(圖(tu)4C)。這一研(yan)究策略為(wei)利(li)用(yong)(yong)雙功(gong)能(neng)(neng)載(zai)(zai)(zai)體(ti)穩定納(na)米催(cui)化(hua)劑(ji)(ji)的提(ti)供了可能(neng)(neng)。由于(yu)雙功(gong)能(neng)(neng)載(zai)(zai)(zai)體(ti)與納(na)米催(cui)化(hua)劑(ji)(ji)之間存(cun)在有(you)大量豐富(fu)、多樣的界面活性位點,這也(ye)有(you)助于(yu)同(tong)時優化(hua)催(cui)化(hua)劑(ji)(ji)活性和(he)選擇性。

該(gai)項工作得到(dao)了國(guo)(guo)家重(zhong)點(dian)研(yan)發計(ji)劃、國(guo)(guo)家自然科(ke)學(xue)基(ji)金、中科(ke)院(yuan)前(qian)沿重(zhong)點(dian)項目、中科(ke)院(yuan)王寬(kuan)誠率先人才(cai)計(ji)劃盧嘉錫國(guo)(guo)際(ji)團隊、中國(guo)(guo)博士后(hou)科(ke)學(xue)基(ji)金等(deng)專項經費資助,愛游戲app超算(suan)中心(xin)和鄭州國(guo)(guo)家超算(suan)中心(xin)為(wei)該(gai)項研(yan)究提供(gong)機(ji)時。

論文鏈(lian)接:


(合肥微尺度物質科(ke)學(xue)國(guo)家研究中心、化學(xue)與材料科(ke)學(xue)學(xue)院、科(ke)研部)

相關新聞
近日,愛游戲app雷久侯、祝寶友和陸高鵬教授團隊在雷暴云頂向上放電及多圈層耦合方面取得重要進展...