厦门大学等：双壳空心球的串联催化

第一作者：Jiadong Xiao, Kang Cheng

通讯作者：Ye Wang (王野) & Bert M. Weckhuysen

通讯单位：厦门大学，乌特勒支大学

【研究亮点】

1.提出了一种合成具有可控结构参数和化学成分的双壳、连续金属氧化物@沸石空心球(MO@ZEO DSHSs)的简单策略。

2.由于这种特殊的双壳空心结构，Fe₂O₃@H-ZSM-5 DSHSs 催化剂在费-托合成生产汽油中表现出优于各种传统结构的 Fe₂O₃-H-ZSM-5 催化剂的性能。

【主要内容】

结构工程，简单定义为将材料加工成所需的、定义明确的架构，它连接了性能和性能之间的相互作用，是当前功能材料科学和技术的基石。一个典型的例子是结构良好且高性能的双/多功能固体催化剂的设计和合成，其中性能在很大程度上受每个催化组分结构的影响，从原子尺度到微结构，以及不同组分的空间排布。这种材料对于串联催化过程可能非常活跃，这是一种有效的化学过程强化策略，通过在单个容器/催化剂中并在相似或相同的条件下耦合多个连续的化学反应。金属氧化物-沸石 (MO-ZEO) 双功能催化剂经常被探索用于串联催化，因为MO和ZEO是两种重要类型的固体催化剂，各自催化范围广泛但不同的化学反应。MO-ZEO 复合催化剂通常通过将制备的MO纳米颗粒与ZEO组分物理混合或通过浸渍方法制成，导致MO纳米颗粒的结构主要随机地存在于ZEO组分上。结果是，由于在非均匀分布的MO和ZEO组分上的不同活性位点从反应开始就暴露于反应物，因此MO和ZEO催化的转化可能并行发生，而不是按顺序进行。此外，鉴于MO和ZEO组分通常分别催化第一和第二步反应，在合成气和CO₂转化的串联催化中，在MO位点形成的第一阶段产物可能很容易扩散出去，不在ZEO位点进行下一步反应。因此，随机结构不利于使串联反应以最高效率和所需顺序发生。

鉴于此，厦门大学王野教授团队联合荷兰乌特勒支大学Bert M. Weckhuysen教授提出了一种具有可设定金属-沸石空间排布和短扩散长度的 MO@ZEO双壳空心球 (DSHSs) 的合成方法。作者开发的制备方法允许控制不同的结构参数和化学成分。研究人员利用原位拉曼，原位XRD以及离位扫描透射显微镜监测了从前体材料到最终固体催化剂的逐步转化过程，并揭示了所涉及的自组装和空心行为的基本机制。串联催化测试结果展示 Fe₂O₃@H-ZSM-5 DSHSs 材料在通过费-托合成 (FTS) 生产汽油时明显优于传统合成和结构化的 Fe₂O₃-H-ZSM-5复合材料。作者证明了Fe₂O₃@H-ZSM-5 DSHS中的每个结构工程元素，包括空心球设计、Fe₂O₃@H-ZSM-5 核壳空间排布和 H-ZSM-5 壳的“笼”效应，均有助于提高催化性能。本文中揭示的通用合成方法和材料生长机制将促进分层空心核壳材料的研究以及对自组装和空心过程的理解。预计合成的各种MO@ZEO DSHS可用于费-托合成以外的各种催化反应。

Fig. 1 | Synthesis of MO@ZEO DSHSs.

Fig. 2 | Phase variation during synthesis of Fe₂O₃@S-1 DSHSs.

Fig. 3 | Monitoring of the transformation from an Fe³⁺-CS@S-1 colloid to a hollow Fe₂O₃ sphere@S-1 colloid during calcination in air.

Fig. 4 | Manipulation of structural parameters and chemical compositions in MO@ZEO DSHSs.

Fig. 5 | Catalytic performances of different catalyst materials in syngas conversion.

文献信息：

Xiao, J., Cheng, K., Xie, X. et al. Tandem catalysis with double-shelled hollow spheres. Nat. Mater. (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41563-021-01183-0