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天津大学新能源化工团队探寻设计催化剂的“秘诀”

2019-12-01       

本报讯:催化科学作为当代化学工业的“心脏”,在促进能源高效转化利用、环境保护与社会可持续发展等方面扮演着当之无愧的主角。如何利用理论计算与传统实验相结合,快速筛选性能优异的催化剂成为世界范围内的热门课题。近日,天津大学新能源化工团队应英国自然出版集团《Nature Reviews Materials》(《自然综述:材料》)邀请,撰写题为“基于线性关联与反应描述符指导催化材料的理性设计”的论文,12月以封面论文形式发表。系统总结了线性关联与反应描述符在金属、氧化物和其他催化材料领域的发展与应用,提出普遍化理论描述符应用于多种催化体系的构想。化工学院青年教师、国家“万人计划”青年拔尖人才赵志坚教授为第一作者。这是天津大学在《自然》及子刊第二篇以第一通讯单位发表的综述论文。

反应线性关联在催化领域中无处不在,催化剂的本征特性和催化活性具有重要的关联。通过调节催化剂的电子性质和几何结构,如催化剂组分的电负性和活性位原子的普遍化配位数,科学家可以获得满足不同催化反应需求的催化活性,从而充分发挥催化剂“四两拨千斤”的独特功效。而凝练催化反应中的线性关联,并将其转化为直观易得的反应描述符,可以更好地把握催化反应的本质,有助于快速筛选和设计高效的工业催化剂。

反应线性关联是一把双刃剑。它一方面让我们理解催化背后的“真相”,另一方面又在无形中限制住了催化剂的活性与选择性。工业中具有重要应用价值的丙烷脱氢反应就受到丙烷活化与丙烯脱附的限制,使得传统的催化剂无法逃离线性关联,催化能力受限。因此,如何打破催化反应中的这些线性关系就成为催化科学领域的瓶颈问题。巩金龙教授课题组提出合成单原子铂铜合金催化剂的方法,打破二元合金在丙烷脱氢中的线性“枷锁”,同时提高催化剂的丙烯选择性和丙烷转化率。除此之外,向催化表面引入配体和应力等,调变反应过渡态与初末态的相对稳定性也可以打破线性关系,实现催化活性与选择性的飞跃。

天津大学新能源化工团队旨在解决重要工业化学反应过程中催化剂和反应器设计的关键科学和技术问题,目前已在二氧化碳还原、丙烷脱氢等多个体系取得重要进展。

(编辑 焦德芳 孟文璐)

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