研究揭示了催化剂结构演化和反应过程中的“多米诺效应”

近日，中国科学院教授、中国科学院大连化学物理研究所研究员张涛、副研究员杨兵与中国科学院上海高等研究院研究员朱倍恩合作，在动态金属催化的研究和设计方面取得了新的进展。研究小组分析了二氧化碳加氢过程中不同尺寸Pd/FeOx催化剂的动态进化行为，揭示了催化剂结构进化与反应过程之间的“多米诺效应”，为催化剂的高效设计提供了新的思路。相关成果发表在《美国化学协会》上。

在多相催化领域，动态炭化作为一种常见的催化剂重构过程，其关键调节因素的识别对催化剂性能的优化尤为重要。然而，在实际反应过程中，反应环境、反应中间体与催化剂结构演化之间存在复杂的耦合作用，这给原点分析高活性结构和实现催化剂的合理设计带来了挑战。

在这项工作中，研究小组发现，大颗粒5Pd-FeOx催化剂在反应初期以氢气为主，促进金属媒介合金化，产生Pd3Fe合金。合金表面进一步促进HCOO*反应中间体，导致表面快速碳化，形成高活性Pd3Fe@Fe5C2/Fe3O4结构，显示出优异的逆水汽转换反应活性。相比之下，超小型0.5Pd-FeOx催化剂由于强金属媒体的相互作用，FeOx涂层抑制了Fe的还原和碳化过程，导致反应活性相对较低。0.05Pd-FeOx单原子催化剂由于金属媒体的电子相互作用，促进二氧化碳的直接分离，并在一氧化碳的诱导下产生缓慢的身体碳化。

这些结果揭示了催化剂动态结构演化的复杂性及其与反应过程和反应网络的交互联系机制，阐明了“金属粒度”→反应气→界面重构→反应中间体→动态炭化→反应产物的链式多米诺效应。通过解耦这一复杂的动态过程，研究人员发现，合金化过程是加速催化剂炭化，提高反应活性的重要因素，而不是尺寸效应和金属-媒体的相互作用。基于此理解，团队进一步制作了高活性、短诱导期低载量0.5Pd3Fe/FeOx合金催化剂提高了反应性能和贵金属利用率，完成了高性能二氧化碳加氢反应中催化剂的有效设计。

本研究强调了原点解耦催化剂复杂动态演化的重要性，为原点结构分析驱动催化剂的合理设计提供了案例。