中科院副院长，大化所前所长张涛院士团队研究总结

Original 科研百晓生研之成理 2021-12-21

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张涛院士

中国科学院大连化学物理研究所航天催化与新材料研究室：

http://www.taozhang.dicp.ac.cn/index_zh.php

一、基本介绍：

张涛研究员2007年2月至2017年2月任中科院大连化学物理研究所所长，2013年当选中国科学院院士，2016年12月起任中国科学院副院长。

长期从事化学化工领域的研究，主要致力于航天无毒推进剂催化分解技术、生物质催化转化、单原子催化和纳米催化等方面的研究。在基础研究方面，张涛团队2008年在国际上首次发现纤维素一步法催化转化制乙二醇的新反应，开辟了生物质转化新路线；2011年提出了“单原子催化”新概念，研究成果被美国化学会化学工程新闻(C&EN)评选为2016年度化学化工领域“十大科研成果”。在应用研究方面，负责研制的新型催化剂广泛应用于我国航天、航空和石油化工等领域。张涛研究员发表SCI收录论文400余篇，授权发明专利200余件。

担任国际期刊 Applied Catalysis B: Environmental，Green Chemistry, ACS Sustainable Chemistry & Engineering等期刊编委或顾问编委，《催化学报》共同主编。

三次以第一完成人获国家技术发明二等奖；曾获中国科学院“参加载人航天工程突贡献者”称号，是“首批新世纪百千万人才工程国家级人选”；2003年获国家自然科学杰出青年基金；2008年获中国催化青年奖；2009年获全国“五一劳动奖章”、周光召基金会“应用科学奖”和中国科学院杰出科技成就奖；2016年获何梁何利科技进步化学奖。

二、主要研究方向

1. 生物质催化转化

A.木质素催化转化：

代表作：Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 7071-7075；ChemSusChem, 2017, 10, 523-532；ChemSusChem, 2016, 9, 3220-3229；Chem. Rev. 2015, 115, 11559-11624； Energy Environ.Sci., 2012, 5, 6383-6390。

B.纤维素催化转化：纤维素水解；纤维素制多元醇、二元醇等醇类；

代表作： Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 7795-7799；Green Chem., 2018, 20, 2142-2150；ACS Catal., 2017, 7, 1939-1954；ChemSusChem, 2017, 10, 1390-1394；ACS Catal., 2016, 1, 191-201；Green Chem., 2016, 18, 342-359；ACS Catal., 2015, 5, 874-883；Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1377-1386；Chem. Comm., 2012, 48,7052-7054；Green Chem., 2012, 14, 614-617；ChemSusChem, 2011, 4, 131-138；Chem. Commun., 2012, 48, 7052-7054；Appl. Catal. B: Environ., 2012,123-124, 333-338；ChemSusChem, 2010, 3, 63-66；Chem. Commun., 2010, 46, 6935-6937；Chem. Commun., 2010, 46, 862-864；Angew. Chem. Int. Ed., 2008,47, 8510-8513。

C.木质纤维素基平台化合物合成柴油、航空煤油范围烷烃燃料；

代表作：ACS Catal., 2017, 7, 5880-5886；Appl. Catal. B Environ., 2017, 201, 266–277；ChemSusChem, 2017, 10, 711-719；Green Chem., 2016, 18, 5751-5755；Appl. Catal. B: Environ., 2015, 170-171, 124-134；Green Chem., 2015, 17, 3644-3652；Green Chem., 2014,16, 4879-4884；Green Chem., 2014, 16, 594-599；ChemSusChem 2013, 6, 1149-1115；Chem. Commun., 2013, 49, 5727-5729；ChemSusChem 2012, 5, 1958-1966；Green Chem., 2011, 13, 91-101；ChemSusChem, 2010, 3,1154-1157；J. Catal., 2010, 270, 48-59。

D.精细化学品（HMF、1,3-丙二醇、1,4-戊二醇、γ-戊内脂…）、聚合物单体（均苯四甲酸、二甲苯…）、含氮化合物（乙醇胺…）的绿色合成：

代表作：Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 1808-1812；Green Chem., 2018, 20, 1770-1776；Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 3050-3054； ACS Catal., 2017, 7, 257-2582；Green Chem., 2017,19, 2201-2211；Green Chem., 2017, 19, 1855-1860；Green Chem., 2017, 19, 1663-1667；Green Chem., 2017, 19, 638-642；ChemSusChem, 2017, 10, 2880-2885；ChemSusChem 2017, 10, 819-824；ChemSusChem, 2016, 9, 3434-3440；Carbon, 2014, 80, 610-616；Chem. Commun., 2014, 50, 1414-1416；J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 3724-3732；ChemSusChem, 2012, 5, 932-938。

【综述】总结了酸碱催化木质素解聚、热解、涉氢转化、氧化解聚、气化、液相重整等最新研究进展，对比了木质素结构解析新技术、不同解聚方法的催化反应机理和催化剂设计。

Reference：Chem. Rev., 2015, 115, 11559-11624；被引频次：429。

【综述】总结了纤维素转化制备乙二醇的研究进展，阐明了纤维素水解、多糖/单糖的C-C断键、以及乙醇醛加氢等串联反应构成，钨基化合物在多糖/单糖的C-C选择性断键生成乙醇醛中的催化作用。

Reference：Acc. Chem. Res., 2013, 46 , 1377-1386。

首次发现活性炭担载的碳化钨催化剂能够将纤维素高效转化为多元醇，而且对乙二醇的生成表现出独特的选择性，在少量Ni的促进下，乙二醇的收率高达61%

Reference：Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 8510-8513；被引频次:415。

以木质纤维素为原料，Ni-W₂C/AC催化剂一步催化加氢裂化，乙二醇及其他二元醇产率高达75.6%，单酚产率高达46.5%。

Reference：Energy Environ. Sci., 2012, 5, 6383-6390 。

（收录于Energy & EnvironmentalScience发表的洁净能源国家实验室（筹）DNL专刊）。

【综述】围绕纤维素、糖催化转化制乙二醇以及1,2-丙二醇反应中的选择性调控，总结了反应路径、关键步骤—逆羟醛缩合的催化活性元素、分子水平上的反应机理、反应过程原位表征技术、反应动力学、反应选择性调制机制、全生物质中多组分的影响，以及生物质制乙二醇技术的工业应用等各个方面。

Reference：ACS Catal.,2017, 7, 1939-1954。

2.单原子催化

A.单原子催化剂的应用：

代表作：Nat. Rev. Chem., 2018, 2, 65-81；Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 7795-7799；Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 7071-7075；J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 10790-10798；ACS Catal., 2017, 7, 1491-1500；Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55,16054-16058；Chem. Sci., 2016, 7, 5758-5764；ACS Catal., 2015, 5, 6563-6572；ACS Catal., 2015, 5, 3717-3725；ACS Catal., 2015, 5, 6249-6254；Nano Res., 2015, 8, 2913-2924；Nat Commun., 2014, 5, 5634；ACS Catal., 2014, 1, 3886-3890；ACS Catal., 2014, 4, 1546-1553；ACS Catal., 2014, 1, 3886-3890；Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1740-1748；J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 15314-15317；Nat. Chem., 2011, 3, 634-641。

首次制备出Pt₁/FeOx单原子催化剂，提出了“单原子催化（Single-Atom Catalysis）”的概念。

Reference：Nat. Chem., 2011, 3, 634-641；被引频次:873。

【综述】综述了单原子催化剂在不同载体上的稳定机制，在热催化、电催化、光催化反应中的应用；探讨了单原子的催化活性、选择性、稳定性与其局域结构和电子性质的关联。

Reference：Nat. Rev. Chem., 2018, 2, 65-81。

【综述】阐述了单原子催化的特点及其催化剂原子结构的特性，并对近年在该领域的相关研究工作进行归纳总结。

Reference：Acc. Chem. Res., 2013, 46 (8), 1740-1748；被引频次:566。

制备出Ir₁/FeOx单原子催化剂，应用于水汽变换反应，其催化活性比相应的团簇、纳米催化剂高一个数量级。对于较高金属含量的非均匀催化剂（含单原子、团簇、纳米粒子），单原子催化的贡献占总体活性约70%。

Reference：J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 15314-15317；被引频次：229。

Pt/FeOx 单原子及准单原子催化剂催化含不饱和取代基团的芳香硝基化合物的选择加氢，在温和反应条件下（40℃，氢气0.3 MPa）获得了极高活性、选择性。

Reference：Nat. Commun., 2014, 5, 5634；被引频次：222。

制备出单原子分散的Fe-N-C催化剂，应用于乙苯C-H键选择性氧化反应，催化活性和选择性可媲美均相催化剂，具优异底物普适性、反应稳定性。

Reference：J. Am. Chem.Soc., 2017, 139, 10790-10798。

ZnO纳米线负载的铑单原子催化剂（Rh₁/ZnO nw），在温和的反应条件下将苯乙烯转化为苯丙醛，催化效率与经典的均相催化剂(Wilkinson's催化剂，Rh(PPh₃)₃Cl)相当，化学选择性高达99%。

Reference：Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 16054-16058。

3. 纳米催化

A.纳米催化剂（双金属纳米催化剂…）的可控制备，在选择性加氢（硝基苯选择性加氢、乙炔选择性加氢）、选择性氧化（CO氧化）等反应中的应用：

代表作：J. Catal., 2018, 364, 174-182；Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 129, 2753-2757；Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 2709-2713；Chem. Sci., 2017, 8, 5126-5131；Chem. Commun., 2017, 53, 1969-1972；ACS Catal., 2016, 6, 1054-1061；Nano Today, 2013, 8, 403-416；J. Catal., 2013, 308, 258-271；Green Chem., 2013, 15, 2680-2684；Chem. Mater., 2009, 21, 410-418；Chem. Commun., 2008, 0, 3187-3189。

制备Au₂₅原子团簇，作为金前驱体负载于锌铝水滑石载体上，高效转化硝基苯乙烯为氨基苯乙烯，表现出高选择性。

Reference：Angew. Chem. Int. Ed., 2017,56, 2709-2713。

【综述】阐述了Au纳米粒子与可还原金属氧化物(RMO)、不可还原氧化物(IRO)间相互作用，以及在CO低温氧化反应中的研究进展。

Reference：Nano Today, 2013, 8, 403-416。

【综述】总结了Au-非贵金属（Au-BM）合金在CO选择性氧化、Au-Pt族金属合金（Au-PGM）催化剂在含不饱和基团硝基苯的选择性加氢反应的研究进展。

Reference：J. Catal., 2013, 308, 258-271。

B. 金属载体相互作用：

代表作：Chem. Sci., 2018, 9, 6679-6684；Sci. Adv., 2017, 3, e1700231；J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 56-59；Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 10606-10611；J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 10251-10258。

首次发现Au纳米粒子与TiO₂间经典SMSI效应。现经典SMSI效应不仅可扩展到其它金属氧化物（Fe₃O₄、CeO₂）担载的Au催化剂体系，并可扩展到TiO₂担载的其它IB族金属（Cu、Ag）体系。

Reference：Sci. Adv., 2017, 3, e1700231。

设计开发半包裹结构的Au/HAP-TiO₂催化剂，经800℃高温焙烧后仍具可观的CO氧化活性，在模拟汽车尾气的CO消除测试中表现出优于商业三效催化剂的反应稳定性。

Reference：Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 10606-10611。

首次发现Au与羟基磷灰石(HAP)存在氧诱导的SMSI效应（OMSI）。

Reference：J. Am. Chem. Soc., 2016, 138(1), 56–59。

4. 二氧化碳催化转化

A.二氧化碳化学还原、羧基化：

代表作：Nat. Commun. 2017, 8, 1407；ACS Catal. 2017, 7, 4613-4620；Appl. Catal. B: Environ., 2017, 216, 95-105；Green Chem., 2017,19,2080-2085；J. Catal., 2016, 333, 227-237。

B.二氧化碳电化学还原：

代表作：Nat. Energy, 2018, 3, 140-147；Adv. Funct. Mater., 2018, 28,1800499。

制备席夫碱修饰的Au纳米催化剂，席夫碱基团中的氮中心与CO₂发生弱相互作用生成氨基甲酸盐两性离子，纳米Au催化剂上发生加氢反应生成甲酸。

Reference：Nat. Commun. 2017, 8, 1407。

5. 航天飞行器姿态控制催化剂

A.肼催化分解、无毒推进剂（N₂O、过氧化氢、羟氨等）催化分解：

代表作：National Sci. Rev., 2018, 5, 356–364；J. Catal., 2017, 347, 9-20；ACS Catal., 2015, 5, 1623-1628；Appl. Catal. B Environ., 2014, 147, 779-788；J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 5178-5181；Appl. Catal. B Environ., 2013, 129, 382-393；J. Catal., 2013, 298, 1-9；Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 6191-6194；Chem. Commun., 2008, 0, 3187-3189；Chem. Mater., 2008, 20, 1881-1888；Chem. Commun., 2008, 0, 2565-2567。

【综述】总结非贵金属镍基催化剂上肼分解制氢活性和选择性的调控策略，利用碱性助剂效应、合金效应、金属-载体强相互作用，实现肼高活性、高选择性分解制氢。

Reference：National Sci. Rev., 2018, 5, 356-364。

以水滑石材料作为前驱体制备新Ni-Al₂O₃催化剂，室温下完全分解水合肼，氢气选择性可达98%。

Reference：Angew. Chem.Int. Ed., 2012, 51, 6191-6194。

6. 环境催化

A.富氢条件下的CO氧化及选择性氧化：

代表作：Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 2820-2824；Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 10606-10611；Appl. Catal. B, 2016, 184, 299；ACS Catal., 2015, 5, 6249-6254；ACS Catal., 2015, 5, 3528−3539；ACS Catal. 2014, 4, 2113-2117；J. Catal., 2014, 319, 142-149；J. Catal., 2014, 319, 142-149；J. Catal., 2013, 299, 90-100；J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 10251-10258；ACS Catal., 2012, 2, 1165-1178；Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 2920-2924；Appl. Catal. B, 2011, 105, 103-110；J. Catal., 2011, 278, 288-296；J. Catal., 2011, 279 , 361-365；Chem. Mater., 2009, 21, 410-418；J. Catal., 2009, 261, 241-244；Chem. Commun., 2008, 3187-3189。

首次制备出TiO₂负载的亚纳米Rh催化剂，在-50 ^oC实现CO的完全氧化，首次实现了铂族金属在超低温下CO的催化氧化。

Reference：Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 2820-2824。

B. NOx选择性还原：

代表作：Chem. Commun., 2015, 51, 7911-7914；Chem. Commun., 2015, 51, 7911-7914；Appl. Catal. B: Environ., 2013, 129, 382-393；Appl. Catal. B: Environ., 2011, 110, 171-177。

7. 其他研究方向：

A.新型有序非硅基介孔材料：

代表作：Nano Res., 2011, 4, 50-60；J. Mater. Chem., 2012, 22,4963-4969；Carbon, 2012, 52, 1807-1816；Chem. Mater., 2010, 22,5463-5473；Chem. Mater., 2008, 20, 1881-1888；Chem. Commun., 2008,0,2565-2567。

B.甲酸分解制氢：

代表作：Energy Environ. Sci., 2015, 8, 3204-3207。

首次将多相纳米金催化剂应用到纯甲酸的选择制氢反应中，在50℃及无添加剂的条件下，催化纯甲酸分解的TOF值可达2882 h^-1，远高于已报道的均相催化剂的活性。

Reference：Energy Environ. Sci., 2015, 8, 3204-3207。

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