化石能源的大量消耗导致了温室气体CO2的大量排放，继而引发了日益严峻的环境问题。若能结合可再生能源制氢技术，通过CO2加氢反应将CO2转化为燃料及高附加值化学品，不仅能够减少CO2排放，解决环境问题，还能提供新的能源补充来源。CO2甲烷化反应因此受到大家的广泛关注。在甲烷化反应的过程中，CO2一般先解离形成CO*和O*，CO*直接加氢生成CH4或者进一步脱O原子变成C*加氢生成CH4。解离的O*则会导致催化剂表面的氧化，使得催化剂表面的电子结构发生变化，从而影响后续的反应进程，催化剂的选择性和活性因此发生变化。深入探究催化剂表面氧化过程对催化反应的影响，对于开发高稳定性催化剂具有重要指导意义。
近日，中国科学技术大学的曾杰教授（点击查看介绍）研究团队以PdFe金属间化合物和PdFe无序合金催化剂为研究对象，揭示了CO2甲烷化反应中催化剂表面氧化还原过程对催化反应的影响。在同等催化条件下，PdFe金属间化合物的转换频率高于PdFe无序合金，且在经过20次连续反应 (共60 h) 的稳定性测试后，PdFe金属间化合物催化剂仍保持原有活性的98%，表现出非常好的稳定性。准原位XPS和原位红外结果表明，CO2能够在合金表面解离生成CO*和O*物种。在金属间化合物表面，CO*加氢生成CH3O*，并继续加氢生成CH4，O*能够被H2完全还原，从而维持高效稳定的可逆氧化还原过程。在无序合金表面，O*无法被H2完全还原，催化剂表面逐渐积累FeOx物种，CO2需要通过生成COOH*间接转化为CO*，然后经由CH3O*中间体加氢到CH4。该工作对双金属合金催化剂在CO2加氢反应中的催化机制和稳定性提供了新的理解。
图1. 准原位XPS表征催化剂表面电子结构；H2-TPR探究表面Fe物种的氧化还原性质
图2. 原位红外揭示反应路径
这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.杂志上，第一作者是罗赖昊博士和王梦琳博士，通讯作者是鲍骏研究员和曾杰教授。
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Surface Iron Species in a Palladium‐Iron Intermetallic Promote and Stabilize CO2Methanation
Laihao Luo, Menglin Wang, Yi Cui, Ziyuan Chen, Jiaxin Wu, Yulu Cao, Jie Luo, Yizhou Dai, Wei-Xue Li, Jun Bao, Jie Zeng
Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.201916032
作者简介
曾杰，1980年9月出生于河南省商城县，现任中国科学技术大学教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金入选者，国家“万人计划”科技创新领军人才，国家重大科学研究计划青年专项首席科学家，获安徽省自然科学一等奖、第十届“侯德榜化工科学技术青年奖”、中科院优秀导师奖、安徽省青年五四奖章、中国新锐科技人物等奖项。研究领域为碳一催化。迄今为止，已在Nature Nanotechnol. (2篇)，Nature Energy (1篇)，Chem (1篇)，Nature Commun. (8篇)，Chem. Rev. (1篇)，JACS (11篇)，Angew. Chem. Int. Ed. (16篇)，Nano Lett. (17篇)，Adv. Mater. (8篇) 等高影响力学术期刊发表了144篇论文，h-Index为54，被SCI引用10000余次。部分研究成果被Nature Mater. 杂志、Angew. Chem. Int. Ed. 杂志、C&EN News、Materials Views等国际科学媒体广泛报道，并多次被CCTV、《人民日报》、《人民日报（海外版）》、《光明日报》、《科技日报》等多家国内主流媒体关注。
招聘信息：
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提供待遇：视个人情况面谈。
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曾杰
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