原位近常压光电子能谱技术于能源小分子活化基础问题的研究

How to develop technologies to utilize carbon-based energy sources in high efficiency represents one of the main solutions to resolve the energy crisis issue due to the non-sustainable supply of fossil fuel. Fischer−Tropsch reaction can be used to effectively convert non-fossil fule based energy sources to the important energy and chemical starting raw materials, such as C2-C4 low carbon olifins/alkanes. The aim of this project is to develop in-situ near-ambient-pressure x-ray photoelectron spectroscopy (NAP-XPS) technique for surface catalysis mechanism study. By building appropriate model catalyst system, we will investigate the industrially-important small molecules (such as CO, H2, CH4, etc) activation mechanism on the model catalysts under the near-ambient-pressure reaction conditions. Through the combination with low-temperature scanning tunneling microscopy (LT-STM), synchrotron light based near-edge x-ray absorption fine structure (NEXAFS) measurement and extended x-ray absorption fine structure (EXAFS) measurement, we aim to carry out atomic or molecular scale investigation of the small molecules activation mechanism on the model catalysts. Finally we will investigate and understand the reaction mechanisms of these industrially-important small molecules on real catalyst using the NAP-XPS technique, thereby providing design rules for the development of more efficient catalyst for small molecules activation and conversion.

如何实现碳基能源的高效利用，是目前解决经济持续发展中遇到的化石类能源逐渐枯竭问题的主要途径之一， 比如通过费-托（F-T）反应将非石油碳源转化为含2-4个碳的烯烃、烷烃产物这些基础工业原料。在本计划中，我们的目标是发展原位近常压光电子能谱技术，并用于表面催化模型体系的研究，通过构建模型催化剂，研究在近常压的条件下, CO, H2以及其他重要能源小分子甲烷等在模型催化剂上的活化机制；并同时结合低温扫描隧道显微镜技术，以及基于同步辐射光源的软/硬x-射线近边/拓展边吸收光谱技术，在原子/分子尺度上研究这类能源小分子的活化机制；最后以具备高效率高活性的实际催化剂为研究对象，利用近常压光电子能谱技术，研究在接近真实催化反应条件下，这类能源小分子的催化反应机制，为开发出用于能源小分子催化转化高效高活性催化剂提供理论基础。

在2017-2019的三年中，本项目的研究进展比较顺利。在本项目中，我们继续拓展了原位近常压光电子能谱技术用于表面催化模型体系的研究，通过构建模型催化剂，研究在近常压的条件下, CO, H2以及其他重要能源小分子甲烷等在模型催化剂上的活化机制；并同时结合低温扫描隧道显微镜技术，以及基于同步辐射光源的软/硬x-射线近边/拓展边吸收光谱技术，在原子/分子尺度上研究这类能源小分子的活化机制；最后以具备高效率高活性的实际催化剂为研究对象，利用近常压光电子能谱技术，研究在接近真实催化反应条件下，这类能源小分子的催化反应机制，为开发出用于能源小分子催化转化高效高活性催化剂提供理论基础。这些工作具有一定的原始创新性 ，其中，我们利用原位近常压光电子能谱技术详细研究了甲烷在Ni（111）表面的活化机理，CO2 在锂空气电池里的作用机制。这些工作总结在标注了本项目号的16 篇SCI论文中，其中影响因子大于10的论文12篇，包括1篇Chem. Soc. Rev., 2篇Nat. Comm.,1篇Adv. Energy Mater., 1篇Applied Catalysis B: Environmental, 2篇ACS Catalysis, 4篇J. Mater. Chem. A.。我们还于2018年10月在苏州工业园区新国大研究院成功举办第七届全国表面分析科学与技术应用学术会议，其中表面催化及相关技术的研究进展是会议的一个重点。通过本项目的支持，课题组内学生及博后共有4人次获得国际/国内相关会议的Chem. Mater., ACS Applied Materials and Interfaces 等最佳墙报奖。本人也受邀在2019年意大利比萨举办的第三届应用表面科学国际会议（3rd International Conference on Applied Surface Science）作主题演讲（Keynote Talk）.通过本项目的研究，初步获 得了能源小分子活化与其催化剂表界面性质、催化性能之间的基本构性关系。在项目结题后，我们还将继续相关的研究工作，细化一些研究要点，争取取得更多的成绩。