能源催化领域大牛Suljo Linic课题总结:理论指导实验的典型代表
前言:
Suljo Linic是能源催化领域冉冉升起的大牛,他的工作会让人眼前一亮,他是用理论(DFT)指导实验的典型代表。 Suljo曾经的学习经历非常全面,本科学的是物理,博士阶段学习的是催化,博士后是理论相关的研究,所以其课题组做的内容广泛,包括光催化、电催化、多相催化三个部分,但每一部分都研究得深刻且有特色。
教育和科研经历
BS 1998
Physics (Minors: Mathematics, Chemistry)
West Chester University, West Chester, PA
PhD 2003
Chemical Engineering, advisor: Prof. Mark Barteau
University of Delaware, Newark, DE
Postdoctoral Fellow, 2003-2004, advisor: Prof. Mathias Scheffler
Theory Department, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft,Berlin, Germany
Assistant Professor, 2004-2010
Department of Chemical Engineering, University of Michigan, Ann Arbor
Associate Professor, 2010-2014
Department of Chemical Engineering, University of Michigan, Ann Arbor
Professor, 2014-present
Department of Chemical Engineering, University of Michigan, Ann Arbor
课题组主页:
荣誉
Paul H. Emmett Award, The North American Catalysis Society, 2017
Parravano Award, Michigan Catalysis Society, 2016
Associate Editor, ACS Catalysis, 2014
ACS Catalysis Lectureship, 2014
研究方向
A. 光催化
Linic课题组是为数不多的首次提出并解释局域表面等离子体共振(LSPR)纳米颗粒(如Au、Ag、Cu)来驱动半导体或纳米颗粒本身光催化活性的课题组之一。利用这些纳米颗粒的等离子效应,这些催化剂可以将可见光的能量转化成化学能,来驱动化学反应的进行,提高活性和选择性,其中大部分是一些重要的工业反应。课题组也在拓宽金属等离子效应的应用,包括与半导体的耦合来增强析氢性能等。
代表作:Science, 2013, 339, 1590-1593; Nature Materials, 2015, 14, 567; Nature Materials, 2012, 11, 1044; Nature Materials, 2011, 10, 911; Nature Chemistry, 2011, 3, 467; JACS, 2011, 133, 5202; Accounts of Chemical Research, 2013, 46, 1890; ACS Nano, 2016,10, 6108; Nature Communications, 2016, 7, 10545;
下面这篇science是Linic课题组在2013年发现的利用Cu的LSPR来还原表面的Cu2O,从而提高丙烯环氧化的选择性的故事。Cu是催化丙烯环氧化反应优良的催化剂,但是在实际应用中因为反应在较高温度下(200度)进行,而此时Cu容易被反应中的氧气氧化而在表面形成Cu2O,从而会减弱环氧化反应的选择性。作者发现了大于500nm波长的可见光可以激发Cu的LSPR,从而把Cu2O还原成Cu,提高了丙烯环氧化的选择性(从20%到50%),作者利用原位固体紫外和原位XRD监测了光激发前后Cu的表面状态。本文的意义有:在核壳纳米结构中,可以利用能引起LSPR的金属核(如Au、Ag、Cu)可以有效还原壳的价态;在丙烯环氧化中人们常常使用昂贵的牺牲剂,而利用LSPR这种方法提供了一种利用多相催化剂思路,但是如何收集可以利用的光也是一个挑战。
Ref.: Science, 2013, 339(6127): 1590-1593.
以下这篇2016年的文章,作者提出了一种形成晶格错位的二元金属合金的方法,即利用金属(Ag、Au、Cu等)高能的LSPR效应来还原与之晶格错位的金属Pt,从而形成良好的合金。作者首先合成了AgNPS,然后利用电流取代反应形成了Ag-PtO hollow结构,再用可见光照形成实心的AgPt合金。
Ref.: Chem. Mater.,2016, 28(22): 8289-8295.
B. 电催化
Linic课题组在电催化方面的研究主要是燃料电池的阴阳极,早期(2010年以前)主要是在理论方面对阳极的氧化机理进行研究,后期主要是在阴极ORR上面,特别是最近几年利用DFT来指导ORR催化剂的合成和性能测试。
代表作:Nature Chemistry, 2014, 6, 828-834; ACS Catalysis, 2012, 2, 12; ChemCatChem,2016, 8, 256; ACS Catalysis, 2017, 7, 17; Journal of Catalysis, 2017, 345, 1.
如2014年这篇nature chemistry,先用理论进行指导,再利用快速升温法(Ag与Co晶格错位)合成AgCo合金,该催化剂在碱性中表面出了很高的ORR活性,比单纯的Ag提高了5倍,是Pt的一半,但价格有优势。
Ref.: Nature chemistry, 2014,6(9): 828-834.
再如以下这篇最近的文章,作者再次利用理论进行预测,然后合成出AuCu@Au2ML@Pt的三层核壳催化剂,其ORR活性的提升支持理论上的预测,即Au-Pt的ligand effects和AuCu核的strain effects能减弱Pt对于OH的吸附,从而提升催化活性。
Ref.: ACS Catalysis, 2017, 7 (1),17–24
C. 多相催化
在多相催化领域,linic课题组也做出了很多贡献。他们首先是利用DFT对催化剂进行设计,然后通过合成,表征进行验证。结构表征如紫外、红外、拉曼、TEM、EDS等等。催化反应如甲烷氧化偶联、烃类蒸气重整、CO氧化、烯烃环氧化、水气重整等等。
代表作:JACS, 2006, 128, 11354; Phys. Rev. Lett., 2006, 97, 026101; JACS, 2008, 130, 11264; JACS, 2009, 131, 2747; JACS, 2011, 133, 2378; ACS Catalysis, 2016, 6, 4340.
如以下这篇2008年的文章,作者先利用DFT计算发现Ag(100)对乙烯环氧化的选择性更高,然后作者合成了具有更高Ag(100)面暴露的Ag纳米线,在催化上验证了上述假设。
甲烷氧化偶联是工业上非常具有前景的反应。当前重要的一个问题是C2选择性过低,由于在流动床反应器中氧分压过高,生成了大量的CO或CO2,而利用固定床反应器(O2-传导氧化物薄膜),就能显著提高C2选择性。然而需要找到一种催化剂与这种反应器相配套,从而具有高选择性,作者发现了LSGM 和 1% Li–LSGM催化剂在与固定床反应器结合时,在氧分压较低条件下具有超过90%的C2选择性,该催化剂在甲烷氧化偶联反应中具有很高的前景。
结语:
在ACS Catalysis采访Suljo的时候,他提到他很幸运能从事科研,因为他在中学阶段他的国家波黑遭遇了战争而无家可归,但是幸运的是他拿到了美国宾州西彻斯特大学的奖学金,才使得他能从事热爱的科研。幸运的背后或许是热爱和坚持。
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