催化剂活性检测

p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 近日，中国科学院大连化学物理研究所能源研究技术平台电镜技术研究组副研究员刘伟、杨冰与中国科学院上海高等研究院研究员髙嶷团队及南方科技大学副教授谷猛团队合作，在观察和确认NiAu催化剂在CO2加氢反应中的真实表面方面取得进展。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " span style=" text-indent: 2em " 催化研究中，常规静态显微分析只能提供催化剂反应前或反应后的非工况结构信息。然而在热振动、气体分子吸/脱附等作用下，催化剂的表面原子难免发生迁移导致表面重构，变化后的表面才是与催化反应活性相关的真实表面，要看清这一表面状态需要借助原位表征技术。尤其对于容易发生表面重构的多元金属催化体系而言，无法原位观测反应气氛下催化剂的原子结构，就不能确认贡献催化活性的真实表面，更无法建立可信的催化构效关系。在以往的研究中，具有宏观统计特性的原位谱学手段已经从精细的能量维度对动态催化过程做出了先驱性探索，例如原位FTIR、原位XPS（AP-XPS）以及原位XAS。在此基础上，实空间下直接观测反应中催化剂的表面原子排布是研究人员长期追寻的目标。针对此问题诞生了环境透射电子显微技术（ETEM），ETEM是主要基于TEM成像的原位手段，适用于原子分辨下追踪气固相反应中催化剂的结构演化过程。 /span /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " span style=" text-indent: 2em " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202003/uepic/69a53f56-f8b2-4cb7-adbb-cf19e4397bed.jpg" title=" 原位电镜揭示双金属催化剂反应状态下的真实活性表面.jpg" alt=" 原位电镜揭示双金属催化剂反应状态下的真实活性表面.jpg" / /span /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 在本工作中，研究团队基于环境透射电镜以及特殊设计的mbar级负压定量混气系统，研究了NiAu/SiO2体系催化CO2加氢反应过程。初期静态显微结果表明，该催化剂以Ni为核心，表面包裹2至3层Au原子壳层，为一种典型的Ni@Au核壳构型。而考虑到Ni具有强大的加氢活性，会导致反应的CH4选择性，因此，该核壳构型可合理地解释本工作中CO2加氢高达95%以上的CO选择性。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 但是，环境透射电镜原位观测发现，该催化剂在反应气氛和温度下，内核Ni原子会逐渐偏析至表面与Au合金化；在降温停止反应时，会退合金化返回Ni@Au核壳型结构。原位谱学手段（包括原位FTIR和原位XAS）的结果很好地证实了上述显微观测结果。理论计算和原位FTIR结果表明，反应中原位生成的CO与NiAu表面合金化起到了关键而微妙的相互促进作用，这是该催化剂构型演变及高CO选择性的原因。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 该工作为研究核壳型双金属催化过程提供了启发，例如反应条件下核壳表面是否真实存在，是否贡献催化活性？又如催化剂制备中追求构建核壳表面是否有必要？该工作是一套原位环境下微观结构表征与宏观状态统计的综合应用案例，突出局域原子结构显微观测的同时，借助原位谱学手段，尤其是原位XAS技术，确保了电子显微发现与材料宏观工况性能的关联置信度。从而为发展原位、动态、高时空分辨的催化表征新方法和新技术提供了范例，也为设计构筑特定结构和功能催化新材料提供了借鉴和思考。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 此外，期刊特别邀请审稿人撰写并独立刊发了题为The dynamic of the peel& nbsp 的工作评述（news & amp views），以表明本工作对于催化研究的独特启发。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 相关成果发表在《 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 自然-催化 /span 》（Nature Catalysis）上。该工作得到国家自然科学基金项目、大连市人才项目、中科院青年创新促进会等的资助，尤其得到了研究员苏党生的大力支持。 /p

p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 抚顺石油化工研究院（简称抚研院）在挥发性有机物（VOCs）环保处理方面，开发出WSH-5型催化燃烧催化剂，适用于炼化企业含VOCs废气的环保处理。处理后的气体排放满足当前国家和地方环保标准。该技术已申请中国发明专利8件，具有自主知识产权，通过了中国石化科技开发部组织的技术评议。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 催化氧化技术是处理含VOCs废气的主要技术之一。抚研院结合炼化企业有机废气催化燃烧装置长周期、高效、稳定运行的需求，开发的高活性WSH-5型催化燃烧催化剂具有贵金属用量低和活性高的特点。科研人员通过在催化剂涂层配方和制备工艺方面的创新，提高了催化剂中贵金属成分的分散度，使催化剂的活性得到有效提升，VOCs起燃温度降低20℃以上，同时降低了催化剂的生产成本。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 采用WSH-5型催化燃烧催化剂处理炼化企业PO/SM、污水处理场等含VOCs废气，非甲烷总烃去除率可达99%以上。处理后，废气中的非甲烷总烃低于20mg/m3，苯、甲苯、二甲苯等特征污染物浓度均满足《石油化学工业污染物排放标准》（GB31571-2015）和《石油炼制工业污染物排放标准》（GB31570-2015）。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 抚研院开发的废气处理催化燃烧催化剂及工艺已在中国石化和中国石油20多家企业应用。所开发的顺丁橡胶生产废气深度治理及能量回收技术获得2016年度中国石化科技进步二等奖。WSH-5型催化燃烧催化剂广泛适用于PO/SM尾气等工业含VOCs废气的环保处理，能够为企业废气处理达标排放提供可靠的技术支撑。 /p

电化学分解水是一种将间歇性能源（如风能，太阳能）转化为氢能的有效途径，有利于推动碳中和。开发廉价高活性的氧析出（OER）电催化剂是该技术走向实际应用的关键之一。研究表明，过渡金属催化剂在OER过程中可重构形成具有更高活性的羟基氧化物，且杂原子的加入可促进这一表面重构反应。基于此，太原理工大学与新南威尔士大学合作提出一种原位重构策略，以FeB包覆的NiMoO作为预催化剂进行表面重构，获得了高活性的OER催化剂。作者利用美国easyXAFS公司研发的台式X射线吸收光谱仪XES150解析了催化剂的精细结构，并结合多种其他表征技术及理论计算，证明重构过程形成的稳定高价态Ni4+物种可促进晶格氧活化进而提升OER反应。该项工作揭示了催化活性的提升机理，并实现了1000mA/cm2级别的超高反应电流，以“Stable tetravalent Ni species generated by reconstruction of FeB-wrapped NiMoO pre-catalysts enable efficient water oxidation at large current densities”为题发表于期刊Applied Catalysis B: Environmental。 本文中使用的台式X射线吸收光谱仪XES150无需同步辐射光源，可以在实验室内测试XAFS和XES数据，谱图数据与同步辐射光源谱图数据完全一致。仪器推出至今，已在全球拥有100+用户群体，市场份额遥遥领先，久经时间考验，细节打磨更完善，稳定性可靠性更高。设备还可实现图1. 台式X射线吸收精细结构谱仪-XAFS/XES 图一展示了催化剂的合成示意图，NiMoO/FeB 预催化剂通过原位重构形成NiFeOOH，其中的准金属硼诱导形成纳米片/纳米棒结构。所得的催化剂的OER活性高于纯NiOOH和贵金属RuO2(图2a)。该催化剂仅需1.545 V vs. RHE即可驱动1000 mA/cm2电流，性能优于其他文献报道（图2b）。作者利用台式XES150 system (Easy XAFS LLC, USA)测试了样品X射线吸收谱。通过Ni-K边 X射线吸收近边结构 (XANES) 光谱分析Ni的电子态。白线峰与 1 s 到 4p 跃迁相关。在 NiFeOOH 的 XANES 光谱中白线峰峰值位于 8352.66 eV，高于 NiOOH（图 2c），这表明NiFeOOH中Ni的平均氧化态高于NiOOH中的平均氧化态，并且NiFeOOH中形成了更多的Ni4+物种。 同时，由于金属 4p 轨道的离域，NiFeOOH吸收边向较低能量移动，峰展宽且边缘跃迁强度增加（即 1 s→4p），这些对配体-金属共价性敏感的特征性变化表明Ni-O 共价键增加（图 2d）。作者进一步分析拟合了Ni K-边的傅立叶变换扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）的k3χ数据，以探究局部原子结构（图2e-2h）。与NiOOH 相比，NiFeOOH 的 Ni-O 散射路径原子间距离从 1.98 &angst 减小到 1.85 &angst ，证明 Ni-O 键的共价性质的增加。 Ni-O 散射路径的偏移归因于NiOOH 和 NiFeOOH 中不同的局部配位环境，这是由于其中NiOOH 和 NiO2物相的比例不同。 上述结果表明，NiFeOOH 中的稳定态物种主要是 Fe 掺杂的 NiO2 物质，这是由 Fe 掺杂和重构过程（即中等高电位下的电化学极化）引起的。 Ni4+生成量的增加导致Ni-O共价性增大，从而促进晶格氧的活化，提升OER催化反应活性。图1. NiMoO/FeB 预催化剂与NiFeOOH 催化剂的合成示意图。图2. (a) 催化剂的LSV曲线。（b）本文催化剂过电势与其他文献报道对比图。（c）(d)Ni-K边XANES谱图。（e）Ni-K边EXAFS谱图。（f）NiO, (g) NiOOH，及 (h) NiFeOOH的EXAFS拟合结果。参考文献：[1]. Yijie Zhang et al., Stable tetravalent Ni species generated by reconstruction of FeB-wrapped NiMoO pre-catalysts enable efficient water oxidation at large current densities, Applied Catalysis B: Environmental, Volume 341, February 2024, 123297.相关产品1、台式X射线吸收精细结构谱仪-XAFS/XEShttps://www.instrument.com.cn/netshow/SH100980/C327753.htm