固體所在非金屬雜原子摻雜調控催化性能方麵取得新進展

近期 ，中科院合肥研究院固體所環境與能源納米材料中心團隊在非金屬雜原子摻雜調控催化性能的研究中取得了新進展 ，合成了N ，P共摻雜碳包覆的鈷基催化劑（Co@NPC） ，探究了催化劑中雜原子摻雜對肉桂醛選擇性加氫的影響 ，相關研究成果以“Geometric and electronic effects of Co@NPC catalyst in chemoselective hydrogenation: Tunable activity and selectivity via N,P co-doping”為題發表在Journal of Catalysis（J. Catal.,2023, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcat.2023.03.013）上 。      非金屬原子摻雜碳載體負載的金屬納米顆粒非均相催化劑在催化加氫反應中展現出較好的催化活性 。與金屬原子相比 ，非金屬原子具有更大的電負性 ，非金屬雜原子的引入可以有效地改變原材料的電子結構和化學性質 ，產生豐富的活性位點從而提高催化性能 ，是催化領域具有潛力的材料。

鑒於此 ，研究人員製備了一種N ，P共摻雜碳包覆鈷基催化劑(Co@NPC) ，並將其用於肉桂醛的水相加氫反應 。研究發現 ，Co@NPC在反應中展現了良好的性能 ，在80℃ 、0.5MPa氫壓 、5h的反應條件下可以實現92.1%的肉桂醛轉化 ，對產物肉桂醇的選擇性達79.7% 。與未摻雜的催化劑Co@C相比 ，N ，P的摻雜可以顯著提高催化性能 ，並且能通過調節摻雜量來控製反應的活性和選擇性 。實驗發現 ，P摻雜可以提高肉桂醇的選擇性 ，而N摻雜與催化劑的催化活性密切相關 。DFT理論計算結果表明 ，N 、P和C原子之間的電負性差異導致了電子之間的相互作用 ，改變了催化劑中Co和CoO的比例 ，從而改變了肉桂醛在催化劑表麵的吸附強度 ，根據吸附能的差異可以對反應產物進行調節 。該工作表明非金屬原子的摻雜使催化劑電子結構的調節具有更多可能性 ，為生物質衍生物選擇性加氫反應催化劑的設計提供了新思路 。

上述工作得到了國家自然基金的支持 。

文章鏈接 ：

圖1. Co@NPC的(a)合成示意圖 、(b-c) SEM圖 、(d) TEM圖 、(e) HRTEM圖 。

圖2. Co@NPC反應性能 ：轉化率及選擇性隨(a)溶劑 、(b)溫度 、(c)氫壓 、(d)時間變化圖 。

圖3. (a) Co@C 、Co@NC和Co@NPC的催化性能；(b) 三種不同催化劑的XRD圖譜 ；(c) Co@NPC計算模型側視圖和俯視圖; (d) Co@NPC催化劑的電荷密度差圖 ；(e) 催化劑中的電子轉移途徑 ；(f) Co表麵和(g) CoO表麵吸附肉桂醛的示意圖 。