复合催化剂理论设计取得新进展: 提出了通过调控材料的功函数来驱动电荷极化的新理论

　　本网讯复合催化剂是以氧化物半导体为基底、金属纳米团簇为活性中心的新型催化剂。由于此类催化剂价格低廉、催化效率高且可用种类繁多，因而应用前景更加广阔。近年来，我国经济飞速发展的同时，大量化石能源燃烧导致的环境问题也越来越严峻，比如不充分燃烧导致的CO、NO等有毒气体排放量的增加便是其中的典型。而复合催化剂由于对此类气体具有较强的低温催化活性、较好的稳定性以及较高的催化选择性引起了人们的广泛关注。针对CO、NO等有毒气体氧化反应的新型复合催化剂的设计、合成也已成为当前环境科学领域的研究热点。

　　但目前复合催化剂的研究也存在一定缺陷，那就是催化机理过于复杂。由于对复合催化剂催化机理的认知不够不清晰，导致实验“试错”探索存在较大的盲目性和重复性，这会延缓我们对效率高、实际应用性强的催化剂的研究步伐。针对该瓶颈，贵州师范学院纳米材料模拟与计算重点实验室的贾传义博士、邓明森教授、钟文辉副教授与中国科技大学的江俊教授合作，采用第一性原理计算，提出了通过调控材料的晶格、团簇结构和功函数来驱动电荷极化的新理论，从而改善了催化性能。此方面的研究也拓展了人们对电能-化学能转化过程中电子运动“微观引擎”的认识，对原子精度上电催化剂的设计具有推动作用。

　　研究表明，提高材料催化活性的关键在于表面原子和电子结构的调控。但如何在宏观角度调控这两个参数是相关材料设计与制备的重大挑战。近期，贾传义等人通过分析Au/ZnO复合催化剂的界面特性设计发展了一类界面电荷极化作用机制，提出根据基底材料和负载团簇的功函数不同做选择性匹配可以有效提高催化效率。研究发现，如果基底材料功函数大于负载纳米团簇材料，会使得纳米团簇在负载过程中失去电子而整体带正的极化电荷，从而更容易吸附带负电的氧气分子并降低其氧化势垒，反之则团簇会带负电活性变差。相关工作近期已发表在国际主流期刊J. Phys. Chem. C. 2016, 120, 4322.上，并被匿名审稿人评价为“基于功函数差异和极化电荷的催化剂设计思路具有重要应用价值”。

　　基于该认识，贾传义等人对Au/Mg(OH)2复合催化剂上氧气的活化也进行了详细的理论研究，发现由于极化电荷的影响使得界面处的Au原子活性更强。并且Mg(OH)2表面羟基上的H原子也可以直接迁移到氧气分子上，形成H-O-O结构，此结构的产生也可以显著的提高氧气的氧化效率。同时，对Ag/TiO2表面上氧气的活化和一氧化碳的氧化研究表明除了极化电荷的影响，反应物分子的共吸附会产生较强的协同效应，形成稳定的O-O-CO四中心结构，从而实现一氧化碳氧化和氧气解离的同步反应，这会极大的提高反应效率。相关工作近期已分别发表在物理化学顶级期刊Phys. Chem. Chem. Phys. 2015，17, 30736.和工程技术类一区杂志ACS Appl. Mater. Interfaces. 2016, 8, 10315.上。

　　该研究工作得到了贵州省纳米材料模拟与计算重点实验室建设、贵州省能源与信息材料人才基地建设、贵州省科学云大数据开发及其产业应用协同创新中心等建设项目的支持，并获得了贵州省科学技术基金、贵州师范学院启动经费等基金的资助。

　　文/图实验室审核/邓明森