能源与环境催化技术

背景意义

能源和环境问题是当今世界所面临的两大课题。随着世界经济的发展,化石燃料日益枯竭、环境污染等,能源与环境问题开始阻碍了人类社会的可持续与协调发展。原子层沉积(ALD)是一种基于气相化学反应的先进薄膜制备技术,可实现薄膜厚度亚纳米级的精确可控,并且能保证在高比表面积、复杂基底上均匀沉积。本团队发展了选择性ALD方法,结合分子自组装技术成功制备出贵金属核壳纳米结构、金属氧化物异质结构、金属-氧化物选择性包覆结构,在提高催化剂活性的同时显著提高其热稳定性,成功应用于汽车尾气催化。团队将进一步拓展该方法至绿色能源催化领域,包括新型能源技术、环境治理技术中关键催化剂的开发,在汽车尾气净化、VOCs治理、燃料电池、光解水等关键技术中取得一系列突出成果。

研究方向1-贵金属减量化技术

铂、钯等贵金属类催化剂则因其优异催化活性和化学稳定性,被广泛的应用于污染气体净化工作。然而,为了达到日益严格的排放标准和实现国家节能减排的战略目标,铂等贵金属资源的消耗量日益增大。因此,贵金属减量化技术的提高对于节约资源降低成本具有重要的意义。课题组主要通过两种手段实现贵金属减量化使用,一是尽可能实现贵金属颗粒的高分散,发挥出色的催化性能,二是实现负载贵金属颗粒的小尺寸化,目前两种方法均已取得可喜的成绩。

研究方向2-贵金属稳定化技术

限制贵金属热稳定性的问题是由于贵金属在长时间严苛的工作环境和频繁的热冲击条件下,贵金属纳米颗粒极易发生烧结团聚导致催化剂失活,严重缩短了催化剂的寿命。为此,课题组基于选择性原子层沉积技术的界面构筑新方法,首次实现了贵金属颗粒在亚纳米尺度上晶面、棱边的定向包覆,突破了原子定向沉积的精度限制,攻克了贵金属低配位点气化迁移导致的团聚难题,获得了兼具活性与稳定性的高效贵金属催化剂。

研究方向3-非贵金属新催化材料设计技术

由于贵金属存在高温下容易因升华而流失、烧结,原子利用率低,价格昂贵等问题。开发新型非贵金属催化剂是拓宽催化剂使用范围,推广能源和环境催化技术的有效手段之一。课题组筛选了一系列具有优异氧化还原性能的非贵金属多元氧化物,并实现了结构的可控制备,揭示了这些复合催化剂界面的相互作用对电子价态、配位情况、表面酸碱性、气体分子吸附和溢流等的影响规律,给这类非贵金属新型复合催化剂的微观机理研究和设计准则提供有力的反馈。

已获成果

获奖

· 2019中国稀土科技进步奖

论文

· 1) Y.J. Chen, G.R. Shen, Y. Lang, R. Chen, L.W. Jia, J. Yue, M.Q. Shen, C. Du*, and B. Shan*,“Promoting soot combustion efficiency by strengthening the adsorption of NOx on the 3DOM mullite catalyst”, Journal of Catalysis, 384 (2020) 96-105
· 2) X. Liu, J.Q. Yang, G.R. Shen, M.Q. Shen, Y.K. Zhao, K. Cho, B. Shan*, and R. Chen*, “Tuning the structure of bifunctional Pt/SmMn2O5 interfaces for promoted low-temperature CO oxidation activity”, Nanoscale, 11(2019) 8050-8159 (Cover article)
· 3) K. Cao, M. Gong, J.F. Yang, J.M. Cai, S.Q. Chu, Z.P. Chen, B. Shan*, and R. Chen*, “Nickel catalyst with atomically-thin meshed cobalt coating for improved durability in dry reforming of methane”, Journal of Catalysis, 373 (2019) 351-360
· 4) X. Liu, Y.T. Tang, M.Q. Shen, W. Li, S.Q. Chu, B. Shan*, and R. Chen*, “Bifunctional CO oxidation over Mn-mullite anchored Pt sub-nanoclusters via atomic layer deposition”, Chemical Science, 9 (2018) 2469-2473
· 5) K. Cao, L. Shi,M. Gong, J.M. Cai, X. Liu, S.Q. Chu, B. Shan*, R. Chen*, “Nanofence Stabilized Platinum Nanoparticles Catalyst via Facet-Selective Atomic Layer Deposition”, Small, 13 (2017) 1700648
· 6) C. Du, J. Wang, X. Liu, J. Yang, K. Cao, Y.W. Wen, R. Chen*, and B. Shan*, “Ultrathin CoOx-modified hematite with low onset potential for solar water oxidation”, Physical Chemistry Chemical Physics, 19 (2017) 14178-14184
· 7) X. Liu, Q.Q. Zhu, Y. Lang, K. Cao, S.Q. Chu, B. Shan*, and R. Chen*, “Oxide nanotraps-anchored Pt nanoparticles with high activity and sintering resistance via area-selective atomic layer deposition”, Angewandte Chemie International Edition, 56 (2017) 1648-1652
· 8) X. Wang, Q. Ni, D. Zeng*, G. Liao, Y.W. Wen*, B. Shan, C.S. Xie, “BiOCl/TiO2 heterojunction network with high energy facet exposed for highly efficient photocatalytic degradation of benzene”, Applied Surface Science, 396 (2017) 590-598
· 9) B. Huang, W.J. Yang, Y.W. Wen, B. Shan*, R. Chen*, “Co3O4 Modified TiO2 Nanotube Arrays via Atomic Layer Deposition for Improved Visible-Light Photoelectrochemical Performance”, ACS Applied Materials & Interfaces, 7 (2015) 422

专利