原子层沉积构建新型纳米催化剂及其催化机理的原位XAFS研究

Atomic layer deposition (ALD) is a powerful scientific tool for catalytic research. However, due to the limitations of characterization methods, there is a lack of regular understanding of the microscopic mechanism of ALD preparation of catalytic particles and modulation of interface structure, and the catalytic reaction mechanism. This project intends to construct catalyst with a clear and controllable structure by ALD, and to use synchronous radiation XAFS to perform in-situ dynamic characterization of synthesized catalysts and their catalytic mechanism. An in-situ ALD-XAFS instrument will be built. The nucleation and growth mechanism of synthesized catalytic particles by ALD, and the controllable synthesis of single atom and clusters with precise atom number, will be studied. The nucleation and growth mechanism and the interface location of the modification species on the metal particles, and the electronic state, interface structure, and the metal-support interactions of the metal particles will also be studied. The ALD-XAFS instrument will be used to in-situ characterize the prepared catalysts in the catalytic reaction. In addition, this instrument will also be used to study the intimacy effects for the confined catalysts and multifunctional catalysts. Through the above researches, the micro-mechanism of ALD preparation of catalytic particles and modulation of interface structure will be clarified, and the intimacy effects will be revealed. The structure-activity relationship will be understood at the atomic/molecular level. This project will provide new ideas and scientific basis for the catalyst design and the performance regulation.

原子层沉积(ALD)是催化研究的一个强有力的科学实验手段。但是受表征手段限制，对ALD制备催化粒子、调变界面结构的微观机制，及其催化反应机理，都缺乏规律性认识。本项目拟利用ALD构建出结构明确可控的催化剂，利用同步辐射XAFS对ALD合成催化剂及其催化机理进行原位动态表征。建立一套ALD-XAFS原位联用装置，研究ALD合成催化粒子的成核生长机制、单原子及精准原子数团簇的可控合成；研究修饰物种在金属粒子上的成核生长机制、界面落位，以及金属粒子电子状态、界面微结构、相互作用等的调变规律。利用ALD-XAFS装置，对制备的催化剂进行催化反应中的原位表征。另外，利用该装置研究限域催化剂、多功能催化剂中的距离效应。通过以上研究，阐明ALD合成粒子、调变界面结构的微观机制，揭示限域催化剂、多功能催化剂中的距离效应，在原子/分子层次理解构效关系，为催化剂设计、性能调控提供新的思路和科学依据。

传统方法在催化剂粒子尺寸和微结构的精准调控方面存在局限性，导致难以直观可靠揭示催化剂的构效关系。原子层沉积(ALD)是催化研究的一个强有力的科学实验手段。但是受表征手段的限制，对ALD制备催化粒子的成核和生长机制、调变界面结构的微观机制，及其催化反应机理，仍缺乏规律性认识。本项目通过构建ALD-XAFS原位联用装置，对ALD合成催化剂过程进行原位动态表征。. 在项目的支持下，已完成原位联用装置的设计和搭建。首先，以代表性的常用载体（如P25等）和活性金属组分（Pt、Co、Ni等）为基础，利用ALD-XAFS装置在载体上直接沉积活性金属组分，观察到了与非原位表征相比更可靠的XAFS谱规律性变化，分析了组分的电子结构和配位结构的变化规律。通过在载体上先后沉积铂和Co、Ni组分，原位研究了修饰催化剂合成过程，观察到了Pt、Co、Ni等不同组分在修饰过程中的XAFS谱变化规律。开展了ALD半循环的XAFS谱采集，对沉积组分的电子结构和配位结构变化进行了更精细的研究。在上述基础上，探究了原位生长的催化剂在氢气气氛程序升温过程中电子结构的变化。另外，还通过设计单原子修饰催化剂、空间分离催化剂等，研究了反应中催化剂的动态变化过程。 . 通过以上研究，阐明了不同沉积物种、修饰物种的成核和生长机制，ALD合成粒子、调变界面结构的微观机制，以及尺寸效应、界面效应、距离效应等对催化性能的影响规律。在原子/分子层次理解催化剂构效关系，为催化剂精准设计、性能调控提供新的思路和科学依据。相关结果在Nat. Commun.（3篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（2 篇）、ACS Catal.（4篇）等著名期刊共发表SCI论文19 篇，授权专利8件，研究团队获山西省自然科学一等奖1项；项目成员入选国家优青；培养博士学位研究生8名、硕士学位5名。