我所發現催化產物主導催化劑活化的新現象

近日，我所催化基礎國家重點實驗室納米與界面催化研究中心（502組群）包信和院士、傅強研究員團隊在反應誘導催化劑表界面結構動態演變研究中取得新進展，發現逆水氣變換反應產物H2O和CO先后主導氮化鉬催化劑的表面活化，導致其表面重構為活性更高的氧化鉬和碳化鉬結構，進一步增強了催化活性，促進了表面碳化，催化活性和催化劑活化之間呈現正反饋的關聯機制。

大多數的催化劑表界面結構在反應中會發生動態變化，這一過程與催化劑周圍局域氣體微環境密切相關。近年來，該團隊在氣氛誘導催化表界面動態演變的研究中取得系列進展，發現反應氣氛（氧化氣氛和COx加氫氣氛等）可誘導金屬催化劑的動態分散和氧化物催化劑的單分散，并顯著增強催化反應性能（J. Am. Chem. Soc.，2018；Nat. Commun.，2021；J. Am. Chem. Soc.，2022；Angew. Chem. Int. Ed.，2024；J. Am. Chem. Soc.，2024）。

本工作中，科研人員基于反應環境中的原位及準原位XPS表征，發現在氮化鉬（MoNx）催化逆水氣變換反應（RWGS）中催化劑的表面結構高度依賴于反應產物，即CO和H2O的分壓或濃度，而不依賴于反應物CO2和H2。研究表明，在反應初期產物濃度或分壓較低，此時產物中的H2O主導MoNx表面的氧化并形成氧化鉬表層活性結構；隨著反應進行，產物濃度和分壓增加，此時產物CO主導表面碳化并形成碳化鉬表層活性結構，該過程促進了反應的進行，并產生更高分壓的CO，反過來進一步促進了MoNx的表面碳化。本工作證明了反應過程中催化活性和催化劑結構演變之間的正反饋機制。

相關研究成果以“Reverse water gas-shift reaction product driven dynamic activation of molybdenum nitride catalyst surface”為題，于近日發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。該成果的共同第一作者是我所521組博士后辛慧（已出站）和李榮坦。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院碳中和光子科學中心等項目的資助。（文/圖 辛慧、李榮坦）

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47550-8

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