新型催化剂理论: 微纳电池催化剂 | 浙江大学吴传德

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浙江大学化学系吴传德教授课题组受自然界钢铁腐蚀等现象的启发, 根据化学反应原理, 提出了一个新型微纳电池催化剂理论, 用于探索制备新型催化剂, 即微纳电池催化剂, 也可以看作是一类纳米尺度的微型燃料电池催化剂。相关结果以"Reducing energy barriers of chemical reactions with a nanomicrocell catalyst consisting of integrated active sites in conductive matrices"为题在线发表于Science Bulletin(https://doi.org/10.1016/j.scib.2019.02.004)。

众所周知, 化学反应涉及到电子和带电基团的迁移, 其迁移方向取决于不同原子(离子或基团)的氧化还原电势, 可以设计成燃料电池将化学能转变成电能。虽然很多化学反应的吉布斯自由能小于零, 但受化学反应能垒的制约, 往往需要高温、高压等苛刻反应条件才能引发化学反应, 或者需要使用催化剂通过降低反应活化能才能使化学反应在温和条件下进行。据统计, 超过90%的化学工业反应需要使用催化剂, 凸显了催化剂的重要性。为了提高催化效率, 科学工作者往往通过引入不同的催化活性组分制备工业固体催化剂, 期望通过不同组分间的协同作用, 提高催化效率, 使催化反应在温和条件下进行。然而由于固体催化剂本身结构的复杂性以及制备的不可控性, 很多固体催化剂的制备目前还限于尝试组装与催化性质测试阶段, 亟需新型催化剂理论, 用于指导催化剂设计、合成与应用。

近期, 浙江大学化学系吴传德教授课题组受自然界钢铁腐蚀等现象的启发, 根据化学反应原理, 提出了一个新型微纳电池催化剂理论, 用于探索制备新型催化剂, 即微纳电池催化剂, 也可以看作是一类纳米尺度的微型燃料电池催化剂(图1)。微纳电池催化剂的制备是以导电纳米材料为载体, 通过在载体骨架上引入具有不同氧化-还原电势以及催化性质的活性位点, 即得到微纳电池催化剂。与原电池或燃料电池类似, 微纳电池催化剂体系集成了微纳电极对、纳米导电基质和电解液等类似于燃料电池或原电池的基本要素。

根据这一原理设计制备了一个微纳电池催化剂, 用于验证所提出的催化剂理论。这一概念验证性微纳电池催化剂主要由如下几个部分组成: 以B和N共掺杂的纳米碳点为连接微纳电极对的导电基质, 以与N原子配位的Pd物种为微纳阳极和以缺电子的B原子为微纳阴极。以还原氢化苯甲醛为模型反应, 概念验证了不同微纳电池催化剂要素对上述还原反应的影响。实验结果表明, 微纳电池催化剂在催化氢化苯甲醛反应时, 表现出了独特的催化性质, 其催化性质取决于不同电极对不同反应物的选择吸附性质和催化活化性质以及电子和载流子的传输效率等。

微纳电池催化剂理论为许多难以解释的催化化学反应现象提供了一种新的理解视角, 为合成新型催化剂用于降低化学反应能垒、提高催化效率打开了新的窗口, 也为发展抑制型催化剂用于防腐等领域提供了新思路, 对于合成电催化剂、光催化剂也具有重要价值, 将促进化学催化剂理论的发展。

图1 (a) 中性或碱性潮湿条件下钢铁腐蚀过程；(b) 微纳电池催化剂体系

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Guo-Peng Zhan, Chuan-De Wu. Reducing energy barriers of chemical reactions with a nanomicrocell catalyst consisting of integrated active sites in conductive matrices. Science Bulletin, 2019, doi: 10.1016/j.scib.2019.02.004

https://doi.org/10.1016/j.scib.2019.02.004

Science Bulletin是由中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办、《中国科学》杂志社与Elsevier共同出版的自然科学综合性学术刊物, 致力于快速发表自然科学与技术各领域的原创性研究成果、有洞察力的综述、前瞻性展望以及对热点科学问题的报道和评论。

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