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工学院孙强研究组在二维多孔催化材料研究方面取得新进展

2014-02-21

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    最近,Nature旗下的《Scientific Report》刊发了工学院材料科学与工程系、北京大学应用物理与技术研究中心孙强">孙强教授研究组的论文“The superior catalytic CO oxidation capacity of a Cr-phthalocyanine porous sheet”
http://www.nature.com/srep/2014/140214/srep04098/full/srep04098.html,报导了他们在多孔金属有机催化材料研究方面所取得的最新成果。

    CO的催化在汽车尾气的处理和提高燃料电池的性能等方面有着重要的作用。传统的催化剂(如Pt、Rh、Pd纳米颗粒)在催化CO氧化时常常需要较高的温度,且往往会遇到CO不可逆吸附所导致的催化剂中毒失活的问题,同时它们昂贵的造价也令其在工业中得到大批量的应用成为瓶颈;Au纳米颗粒虽然可以在低温下有效催化CO的氧化,但其纳米颗粒的表面体积比有限,而且造价昂贵;人们新近提出的金属嵌入石墨烯单缺陷或双缺陷结构虽然提高了催化活性原子的表面体积比,但金属分散度差,且在石墨烯表面形成单缺陷或双缺陷需要很高的形成能(7.5~8.0 eV),工业上难以大批量地进行可控合成。为了研发新型高效的CO催化材料,孙强">孙强教授课题组进行了系统的理论研究,在高通量计算的基础上通过筛选,他们发现二维Cr-酞菁每一克含1.48x1021个活性金属点,对CO具有卓越的催化性能,其催化过程分为两步:(1) Langmuir-Hinshelwood 过程 (CO+O2→OOCO→CO2+O);(2)Eley-Rideal 过程(CO+O→CO2)。整个过程所对应的最大能垒为0.55eV,低于其它同类体系,而且在275-475 K的温度范围内具有稳定的催化功能。最近的实验表明,二维聚合的铁酞菁结构可以在NaCl的表面进行层状生长。由于NaCl基底是绝缘的,它与二维金属酞菁结构的相互作用弱,其本征物理化学性质容易得到保持,特别是其催化活性不受外界载体的干扰,这为大规模的制备和应用二维Cr-酞菁催化材料提供了基础。因此,这一研究将会推动新型多孔金属有机催化材料的研发。
    近年来孙强">孙强教授课题组在金属有机低维材料领域展开了系统性的研究工作,包括新型结构的设计、电子结构的调控、磁耦合的转变、二氧化碳的捕获、以及能源的储存和转换。Wiley-VCH 旗下的Chemistryviews网站报道了他们近期的研究进展: http://www.chemistryviews.org/details/ezine/5455551/Phthalocyanine-based_Nanocages.html
    该论文的第一编辑是博士研究生李亚伟, 通讯编辑为孙强">孙强教授。该研究得到国家自然科学基金委和973项目的资助。

 

二维Cr-酞菁催化材料

 

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