【催化】中科大曾杰团队Angew：逐步构筑策略制备高效丙烷脱氢高熵合金催化剂

学术 2024-11-23 08:11 北京

第一作者：罗均

通讯作者：严涵副研究员，曾杰教授

通讯单位：中国科学技术大学

高熵合金因其巨大的组成空间、独特的结构以及优异的稳定性，展现出优于传统单金属或二元合金的催化性能，成为多相催化领域的热点材料。尽管前人已报道了一些高熵合金催化剂的筛选/设计策略，传统的试错法仍占主导，限制了高效催化剂的探索。因此，亟需发展合理的设计策略，推动高熵合金的合成及催化应用。物理化学性质的差异使得金属助剂对Pt基丙烷脱氢催化剂的几何电子结构具有不同的影响。进而，对合金效应的深入理解为设计制备高效丙烷脱氢高熵合金催化剂提供了支持。

近日，中国科学技术大学曾杰教授课题组提出一种基于合金化效应逐步设计、制备面向丙烷脱氢的高熵合金催化剂的方法。在二元体系中，Cu、Sn、Au和Pd对Pt展现出稀释、包覆、表面富集以及不均一效应。由此制备得到的高熵合金，PtCuSnAuPd/SiO₂，展现出优异的丙烷脱氢活性、选择性和稳定性，丙烯形成速率在550及600 °C下高达256及390 molC_3H6 g_Pt⁻¹h⁻¹。结构表征表明，元素的无序混合、结构的热稳定性以及Pt的表面富集共同促进了催化性能的提升。相关工作发表在期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

图1. 合金化效应研究

在Pt基二元合金体系中，利用X射线衍射、透射电镜、CO探针红外及丙烷脱氢催化测试证明了Cu对Pt的稀释作用（图1a，e，i）、Sn对Pt的封装作用（图1b，f，j）、Au对Pt表面富集的促进作用（图1c，g，k）以及Pd对Pt的不均一作用（图1d，h，l）。

图2. 高熵合金的逐步设计与构筑

利用合金化效应，依据反馈的结构特征逐步引入Cu、Sn、Au和Pd构筑表面富集孤立Pt位点的高熵合金催化剂（图2a）。结构表征表明，制备得到了SiO₂负载的面心立方结构的高熵合金催化剂（图2b），平均粒径2.8纳米（图2c），五种元素在合金颗粒中均匀分布（图2d）。

图3. 丙烷脱氢催化性能研究

Cu、Sn、Au和Pd的依次加入逐步优化了催化选择性、活性、稳定性，在常规测试条件下，所制备的高熵合金催化剂展现出高活性、高选择性及稳定性（图3a–d）。随着空速的提升，所制备的高熵合金在354 h⁻¹的空速下展现出极高的丙烯生成速率（图3e），优于已报道的Pt基多元合金（图3f）。

图4. 高熵结构表征

电镜结果表明长周期反应后仍保持平均2.8纳米的高熵合金结构（图4a–c）。X射线吸收近边结构表明Pt价态因合金化降低（图4d）。拓展X射线吸收精细结构表明反应前后高熵合金中均存在Pt–M（M = Pt，Au，Cu，Pd）及Pt–Sn配位，配位数之比近似为6，证实了合金的高熵结构（图4e–i）。

图5. Pt表面富集研究

X射线光电子能谱以及CO探针红外表明高熵合金中Pt暴露显著提升（图5a，b）。通过电感耦合等离子体原子发射光谱与X射线光电子能谱定量分析证明了Cu、Sn对Pt暴露的抑制作用以及Au、Pd对Pt暴露的促进作用（图5c）。

总结与展望

作者提出一种基于合金化效应构筑高效丙烷脱氢高熵合金催化剂的新策略。通过Cu、Sn、Au和Pd在二元体系中对Pt展现出的稀释、包覆、表面富集以及不均一效应，逐步构筑出表面富集孤立Pt位点的高熵合金催化剂。该催化剂在丙烷脱氢反应中展现出优异的催化性能，实现超高的丙烯形成速率。该工作对合金化效应的深刻理解和灵活应用实现了高熵合金催化剂的定向构筑，为高熵合金制备提供新思路，有望加速催化剂的开发与研究。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Progressive fabrication of a Pt-based high-entropy-alloy catalyst toward highly efficient propane dehydrogenation

Jun Luo, Xu Li, Yongjie Ye, Tao Zhou, Wenlong Wu, Hongliang Li, Qing Yang, Han Yan*, Jie Zeng*

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202419093

课题组介绍

曾杰，安徽工业大学党委常委、副校长，中国科学技术大学讲席教授。1998年进入中国科学技术大学学习，2002年获应用化学学士学位，2008年获凝聚态物理博士学位，师从侯建国院士。2008年赴美，在美国圣路易斯华盛顿大学夏幼南教授研究团队工作。2012年，回到中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心任教授。2022年9月，受聘中国科学技术大学讲席教授，同年11月起任安徽工业大学党委常委、副校长。入选国家杰出青年科学基金、国家“万人计划”科技创新领军人才、英国皇家化学会会士（FRSC），担任国家重点研发计划首席科学家。研究领域为二氧化碳催化转化技术。迄今为止，已在Nature、Nature Nanotechnology、Nature Catalysis、Nature Energy等高影响力学术期刊发表了233篇论文，SCI总被引用22000余次，H因子为81，入选2019至2022年的全球高被引科学家名录。申请中美专利共75项，出版书籍5部。荣获中国青年科技奖“特别奖”、Falling Walls 科学突破奖、英国国际发明展年度国际发明“钻石奖”、中国科技产业化促进会科学技术一等奖、中国化学会-赢创化学创新奖、侯德榜化工科学技术青年奖、中国新锐科技人物、安徽省自然科学奖一等奖、安徽青年五四奖章等奖项。研究成果入选国家“十三五”科技创新成就展、2022年中国十大科技进展新闻。

课题组拥有一流的工作平台，开放活跃的学术氛围和丰富的国内外交流合作机会。现有平台和仪器包括原位DRIFTS、TPD-MS、BET、电化学测试一体化测试平台、各类固定床和浆态床反应器、UV、Plasma等多种催化剂表征和测试仪器。此外课题组和上海光源、合肥光源具有高度密切的合作关系，并以此搭建了各类原位测试平台。

曾杰

https://www.x-mol.com/university/faculty/73363

课题组主页

http://catalysis.ustc.edu.cn/

曾杰课题组招聘博士后/特任副研究员

招聘博士后/特任副研究员，开展电驱动、热驱动以及热电驱动多相催化反应，包括实验和理论计算，反应包括CO₂/CO还原、甲烷部分氧化、丙烷脱氢、小分子电合成等研究。

申请条件：

（1）已获得博士学位或应届博士毕业生，在电催化、热催化、理论计算等领域有扎实的研究基础。

（2）应聘特任副研究员原则上应具有两年或以上的博士后经历，国外著名高校优秀博士毕业生且科研业绩突出者可破格申请。

（3）具有良好的英文听说读写能力。

岗位待遇：

（1）聘期 2-3 年。

（2）工资待遇（博士后年薪21万元以上，特任副研究员年薪24万元以上，特别优秀的将视个人情况面谈）：

此外，课题组会推荐优秀申请人申报中科大“墨子杰出青年特殊津贴”，入选后年薪可在基础数额之上增加 15 万元（一等资助）/5 万元（二等资助）。

（3）学校为博士后/特任副研究员办理社会保险（基本养老保险、失业保险、基本医疗保险及医疗救助保险、工伤保险、生育保险）和住房公积金。

（4）学校为博士后/特任副研究员提供两室带全套家具的周转房。对不要求安排人才公寓住房者发放租房补贴，补贴标准由学校统一制定。

（5）博士后/特任副研究员子女可在科大附属幼儿园、附小、附中就学，免交赞助费。幼儿园为孩子每日提供“三餐一点”（早、中、晚三餐和下午一次点心），免除家庭的后顾之忧。

（6）特任副研究员期满考核优秀者，可申请学校的“副研究员”或“副教授”岗位；博士后期满考核优秀者，可申请学校的“特任副研究员”岗位。课题组将会积极帮助出站博士后联系申请高等院校及研究所的工作，或推荐国际一流著名院校进一步深造。

申请方式：

请申请者将申请材料发送到以下邮箱：zengj@ustc.edu.cn，邮件以“博士后/特任副研究员申请+姓名”命名。本课题组承诺对所有应聘者材料给予保密。

欢迎有志于从事相关研究的博士进入本课题组，共同开展研究工作！

联系方式：

地址：安徽省合肥市金寨路96号中国科学技术大学东区微尺度理化大楼16-005室

电话：0551-63603545

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