催化层

引言 异质催化剂的合成通常借助于传统的湿法化学法，包括浸渍法、离子交换和沉积-沉淀法等。然而，这些方法合成的催化材料往往具有非常复杂的结构和活性位点分布不均匀等问题，这些问题会显著降低催化剂的催化性能，特别是在选择性上，阻碍了科学家们在原子水平上理解催化剂的结构-活性关系。此外，在苛刻的反应条件下通过烧结或浸出造成的活性组分的损失会导致催化剂的大面积失活。因此，亟待发展一种简便的方法来调控催化剂的活性位结构和其在原子水平上的局部化学环境，从而促进对反应机理的理解和高稳定性催化剂的合理设计。 原子层沉积(ALD, Atomic layer deposition)是一种用于薄膜生长的气相催化剂合成技术，目前已成为一种异质催化剂合成的替代方法。和化学气相沉积(CVD, Chemical vapor deposition)一样，其原理是基于两种前驱体蒸汽交替进样，并在载体表面上发生分子层面上的“自限制”反应，实现目标材料在载体表面上的沉积。通过改变沉积周期数、次序和种类等方法可以实现对催化剂活性位结构的原子精细控制，进而为研究者提供了一种 “自下而上”可控合成催化剂的新策略。 美国Arradiance公司的GEMStar系列台式原子层沉积系统(如图1所示)，在小巧的机身（78 * 56 * 28 cm）中集成了原子层沉积所需的所有功能，可多容纳9片8英寸基片同时沉积。全系配备热壁，结合前驱体瓶加热，管路加热，横向喷头等设计，使温度均匀性高达99.9%，气流对温度影响减少到0.03%以下。高温度稳定度的设计不仅可在8英寸基体上实现厚度均匀的膜沉积（其厚度均匀性高于99%），而且适合对具有超高长径比孔径的3D结构进行均匀薄膜覆盖，在高达1500：1长径比微纳深孔内部也可均匀沉积。图1. 美国Arradiance公司生产的GEMStar系列台式三维原子层沉积系统 在本篇文章中，我们将介绍利用ALD方法在负载型单金属 和双金属催化剂精细设计方面的进展和ALD方法在设计高效催化剂方面的特点与优势。同时，我们也整理了利用ALD技术制备单原子和双原子结构金属催化剂的方法与策略以及利用氧化物可控沉积调控金属催化活性中心周围的微环境，从而实现提升催化剂活性、选择性和稳定性的方法。后我们也将展望ALD技术在催化剂制备领 域中应用的潜力。ALD合成负载型催化剂 近年来，研究者对各种氧化物和碳基材料基底上的金属ALD催化剂进行了广泛研究。由于高温下ALD生长的金属原子在氧化物和碳基基底上的高迁移率，沉积物通常以金属纳米粒子形式存在，而不是二维金属薄膜。如图2a所示，金属纳米颗粒的尺寸大小和负载量可以通过调整ALD循环次数和沉积温度变化来进行调控，且金属颗粒的尺寸分布通常非常狭窄。近期，中国科学技术大学的路军岭课题组使用ALD技术发展了一种双金属纳米粒子的合成新策略，即使用较低的沉积温度和合适的反应物，在负载的单金属纳米粒子表面增加二金属组分，获得原子可控的双金属纳米粒子（如图2b, PtPd双金属纳米粒子）。研究发现，在较低的温度下，金属基底会促进金属前驱体在其上的成核和ALD生长，而金属氧化物通常是惰性的，因此不能在低温下与金属前驱体反应和开始成核。图2. ALD合成（a）单金属Pt纳米粒子，（b） 双金属PtPd纳米粒子，（c）Pt 单原子催化剂在N掺杂的石墨烯上，（d）Pd单原子催化剂在g-C3N4上，（e）二聚的Pt2/石墨烯催化剂。 原子分散的金属催化剂，由于其特的催化性能和大的原子利用效率，越来越受人们的关注。使用ALD技术从气相中获得单原子催化剂具有很大的挑战性，因为ALD生长通常在高温下进行，金属的聚集会显著加剧，但考虑到ALD的自限特性，仍是有可能的。加拿大西安大略大学孙学良教授团队从事了先驱性的工作，在250℃下，对N掺杂的石墨烯表面进行五十次Pt ALD循环合成了Pt单原子催化剂（如图2c）。DFT计算表面，Pt单原子与N原子成键，其HER活性相对于商业Pt/C显著增强(~37倍)。类似的，路军岭团队通过调控石墨烯上的含氧官能团种类和数量，在150℃下对石墨烯表面进行一次Pd ALD循环（Pd(hfac)2-HCHO），合成了原子分散的Pd单原子催化剂（如图2d），没有观察到Pd团簇和纳米粒子的形成。除此之外，使用ALD技术还可以合成原子的超细金属团簇，如二聚物等。如图2d所示，路军岭团队报道了Pt2二聚体可以通过ALD技术在石墨烯载体上创建适当的成核位点 “自下而上”制备获得，即Pt1单原子沉积，并在起始位点上进行Pt原子的选择性二次组装。氧化物包覆实现金属催化剂的纳米尺度编辑 对于负载型金属催化剂来讲，其载体不仅仅是作为基底，也会通过电子转移或金属—氧化物相互作用，显著的调制金属纳米颗粒的电子性质。当氧化物层包覆在金属纳米颗粒上时，会形成新的金属-氧化物界面(如图3a)，可以进一步改变金属纳米颗粒的电子性能和形貌，有望进一步提升其催化性能（如图3b）。金属纳米颗粒通常含有低配位位点（lcs）和高配位的台阶(HCSs)，通过氧化物ALD沉积的选择性阻挡某些活性位点，局部改变其几何形态，影响催化过程中的化学键断裂和生成，导致不同的反应途径（如图3c）。另外，物理氧化包覆层还可以提高纳米颗粒的稳定性，在恶劣的反应条件下防止金属组分的烧结和浸出(如图3d)。在原子层面上控制氧化膜厚度，从而在高比表面材料上实现高的均匀性，使得ALD成为在纳米尺度上提高纳米金属催化剂催化性能的理想工具，且不会产生质量迁移的问题。图3. （a）ALD氧化物包覆负载型纳米离子生成新的金属——氧化物界面ALD合成,（b）ZnO包覆Pt纳米粒子催化剂显著提高催化活性，（c）ALD氧化铝包覆Pd/Al2O3显著提高催化选择性，（d）TiO2包覆层显著提高Co@TiO2催化剂催化稳定性。 总结和展望 催化剂的原子合成，是阐明催化作用的关键机制和设计先进高性能催化剂的关键。ALD特的自限制特性可实现催化材料在高比表面材料上的均匀和可控沉积，实现一步步和“自底向上”的方式在原子层面上构建复杂结构的异质催化剂材料。这些ALD催化剂具有较高的均匀性，使其相对于传统方法制备的催化剂，拥有更好的或可观的催化性能，并可作为模型催化剂有助于阐明催化剂的结构-性能关系。 参考文献：[1] Lu J. et.al, Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 34 (12), 1334–1357.[2] F. H. et al. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 9758.[3] Elam, J. W. Nat. Commun. 2014, 5, 3264.[4] Liu, L. M. et al. Nat. Commun. 2016, 7, 13638.[5] You, R. et al. Nano Res. 2017, 10, 1302.[6] Huang, X. H. et al. Nat. Commun. 2017,8, 1070.[7] Elam, J. W. ACS Catal. 2016, 6, 3457.[8] Lu, J. ACS Catal. 2015,5, 2735.[9] Huber, G. W. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 1657.

近日，中科院大连化物所催化基础国家重点实验室、太阳能研究部(DNL16)李灿院士，李仁贵研究员等在光催化水氧化研究方面取得新进展。 　　团队仿习自然光合体系中电荷传输链的原理，基于团队发现的半导体光催化剂晶面间光生电荷分离现象，在铬酸铅光催化剂光生空穴富集的氧化晶面上可控组装氧化石墨烯作为电荷传输层，进而将钴立方烷分子催化剂选择性组装到氧化石墨烯电荷传输层，实现了光生空穴从铬酸铅光催化剂至钴立方烷分子催化剂之间的快速传输，显著提升了光催化水氧化性能。 　　光催化分解水制氢是将太阳能转化为化学能的重要途径之一。其中，光生空穴参与的水氧化反应是涉及多电子多质子转移的复杂过程，是光催化分解水反应的关键。虽然负载合适的水氧化助催化剂有助于提高水氧化反应性能，但是半导体与水氧化助催化剂之间的界面势垒会阻碍光生电荷的传输和利用。李灿团队长期从事太阳能人工光合成过程中的关键基础科学问题研究，尤其在光催化分解水研究方面，先后在国际上提出双助催化剂策略(J. Catal.，2009；Catal. Lett.，2010；Acc. Chem. Res.，2013)、在光电催化分解水研究中发现部分氧化的石墨烯在水氧化催化剂和捕光半导体之间具有类似自然光合作用过程中酪氨酸的电荷传输功能(J. Am. Chem. Soc.，2018)、实验上确认了晶面间光生电荷分离效应(Nature Comm.，2013；Energy Environ. Sci.，2016；Angew. Chem. Int. Ed.，2020；Angew. Chem. Int. Ed.，2022)、提出可规模化太阳能分解水制氢的氢农场策略(Angew. Chem. Int. Ed.，2020)，提出光催化完全分解水氢氧逆反应抑制新策略(Nature Catal.，2023)等，受到了国际学术界的广泛关注。 　　研究团队借鉴自然光合系统电荷传递链中酪氨酸等电荷传输媒介的作用，利用铬酸铅光催化剂光生电子和空穴在不同暴露晶面间的光生电荷分离性质，借助超声辅助的手段在铬酸铅光生空穴富集的氧化晶面上可控组装氧化石墨烯电荷传输层。 　　进一步，团队确认通过氧化石墨烯电荷传输层与钴立方烷水氧化催化剂之间强的范德华作用力，可以选择性地将钴立方烷分子催化剂吸附到铬酸铅的氧化晶面，从而实现了光生空穴从铬酸铅到钴立方烷分子催化剂的有效传输，显著提升了铬酸铅的光催化水氧化性能。 　　此外，团队通过表面光电压谱等手段证明，在铬酸铅氧化晶面与钴立方烷分子之间引入氧化石墨烯电荷传输媒介，可以有效抑制光生电荷在界面的复合，延长光生电荷的寿命，显著提升光催化水氧化反应性能。 　　该工作发展了基于仿生思路实现光生电荷传输和助催化剂可控构筑的策略，为微纳尺度上高效人工光催化剂的理性设计和构筑奠定了基础。 　　相关研究成果以“Graphene Mediates Charge Transfer between Lead Chromate and a Cobalt Cubane Cocatalyst for Photocatalytic Water Oxidation”为题，于近日发表在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)。该工作的第一作者是503组联合培养博士研究生蒋文超。以上工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委“人工光合成”基础科学中心项目等资助。

由于在氢氧化（hydrogen oxidation）和氧还原（oxygen reduction）反应中的高效催化特性，铂基催化剂被广泛地应用于质子交换膜燃料电池当中的关键组成部分，比如阴和阳。然而，当质子交换膜燃料电池在较为严苛的环境下（比如低pH环境(＜1)、高的氧浓度、高湿度等）运行时，商用的铂/碳催化剂会展现出耐用性低的问题。由于Ostwald熟化效应、铂纳米颗粒的脱离、铂纳米颗粒的团聚等问题，铂/碳催化剂的活性会显著下降。因此，开发有效方案来稳固铂基催化剂从而防止其活性在燃料电池运行时的损耗，是非常重要的。 针对上述问题，加拿大西安大略大学的孙学良教授课题组，开创性地利用退火MLD（Molecular Layer Deposition，MLD，分子层沉积）夹层结构来固定铂纳米颗粒，从而实现了铂基催化剂性能的提升，相关结果刊载于Nano Energy（https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.03.033）。在孙教授团队的工作中，MLD衍生层是通过三基铝和丙三醇合成在掺氮碳纳米管（nitrogen-doped carbon nanotubes，NCNT）上的，此后通过煅烧获得多孔结构。后，通过ALD工艺，铂纳米颗粒被沉积在MLD-NCNT载体之上。多孔结构有益于稳固铂纳米颗粒、避免团聚以及从载体上脱离。相较于沉积在掺氮碳纳米管（NCNT）上的铂催化剂来说，沉积在MLD-NCNT载体上的Pt催化剂展示出了显著提升的氧化还原反应活性以及耐用性。文中利用X射线吸收光谱等手段，详细揭示了增强的机制。 图1 NCNT-MLD-Pt的制备流程示意图以及出色特性（图片来源：Nano Energy:Rational design of porous structures via molecular layer deposition as an effective stabilizer for enhancing Pt ORR performance） 相较于ALD（Atomic layer deposition，ALD，原子层沉积）来说，MLD技术还比较新。MLD技术可以视为ALD技术的亚类，具有与ALD相似的气相沉积工艺，基于序列及自限制反应，在分子尺度上生长材料，目前比较多涉及的是有机聚合物或者无机-有机杂化材料。由于本质上属于ALD技术的衍生技术，因此MLD技术具备了ALD技术的主要优点：优异的三维共形性、大面积均匀性、良好的工艺重复性、膜厚或组成的控制、分子结构或官能团的裁剪，以及较低的沉积工艺温度。然而，由于MLD工艺中采用有机分子作为前驱体，有机分子前驱体的蒸汽压低、热稳定性差，因而反应活性较低。此外，MLD工艺中的有机分子前驱体存在同质官能团引起的双反应现象，会使得沉积速率变慢，甚至是发生非线性的反应生长速率。所以，利用MLD工艺沉积新材料，对于设备和工艺掌控都提出了较高的要求。 在本文当中，孙教授团队利用MLD沉积铝氧烷所用的设备是美国Arradiance公司生产的型号为Gemstar-8 的台式ALD沉积系统，此套系统直接与手套箱相联，手套箱中为氩气气氛。在本工作之前，孙教授所在课题组已经利用MLD技术合成了铝氧烷，并且将铝氧烷涂层应用于提高碳/硫阴或碱金属阳的电化学特性。制备当中，他们采用三基铝和丙三醇作为前驱体，在150 ℃的条件下将，将前驱体依次通入腔体当中。 另一方面，目前大多数无机-有机杂化物质对于空气中的湿度非常敏感，不稳定。由于Arradiance公司生产的台式ALD系列产品，非常小巧，并且非常友善周到地为用户们预留了可以与各类市场主流手套箱集成的接口，从而使得无机-有机杂化物质在制备完成后可以在惰性环境中转移至其他实验环境或是进行其他实验。 图2 Arradiance台式原子层沉积系统，设计紧凑，功能齐全，堪称“麻雀虽小五脏俱全” 图3 紧凑而友善的设计理念，使得Arradiance ALD系统可以方便地与手套箱集成，满足用户的特殊实验需求