双金属氢氧化物表面重构锚定金属离子构筑金属-载体强相互作用

注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析

金属-载体强相互作用在负载型金属催化中的构筑有利于提升催化剂的活性与稳定性。经典的金属-载体强相互作用构筑方法通常需要在还原气氛中高温焙烧实现。在高温条件下，不仅金属颗粒有可能在该相互作用形成之前就发生烧结，而且对载体的选择也有一定的限制。

近日，武汉工程大学邓黎丹、邱心泓副教授课题组利用钙铝层状双金属氢氧化物在水中发生表面重构的过程来锚定Ru³⁺，并借助氢氧化物焙烧转化为氧化物的过程来构筑金属-载体强相互作用。相关工作发表在Chem. Commun.上。

研究团队将钙铝双金属氢氧化物置于水中，利用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）检测了上层清液中的钙离子和镁离子浓度，证明钙铝双金属氢氧化物微溶于水。随后向体系中加入RuCl₃·H₂O，发现体系中的钙镁离子浓度发生变化，并且拉曼光谱检测到了催化剂中钌离子与表面羟基形成的Ru-O键，这证明钌离子参与了钙铝双金属氢氧化物的溶解-沉淀重构过程，并且活性组分钌被锚定在了载体表面。后续热还原过程中，被锚定的钌离子形成了尺寸小且均匀分，分散性好的金属钌颗粒。此外，由于氢氧化物高温下变为氧化物，成功构筑了金属-载体强相互作用。与之相比，钙铝双金属氢氧化物在不溶解的乙醇体系中因为没有溶解-沉淀重构过程。制备出的催化剂则没有Ru-O键的生成，钌离子并未被锚定在载体表面。随后热还原生成的金属颗粒因为团聚大小不一，分散不均。在催化活性方面，高分散钌金属纳米颗粒催化氨气分解的性能明显高于团聚的金属钌颗粒。低温催化效率（450 ℃以下），两种催化剂活性差异尤为明显。

本工作为惰性氧化物构筑金属-载体强相互作用提供了一种可行的新方法。另外，因双金属氢氧化物的组成与可锚定金属的广泛性，这种构筑金属-载体强相互作用的方法可以拓展至其他氧化物与金属离子，制备出针对不同反应的高效米催化材料。

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Metal-Support Interactions on Ru/CaAlO_x Catalysts Derived from Structural Reconstruction of Ca-Al Layered Double Hydroxides for Ammonia Decomposition

Jiawen Zhao, Shuang Xu, Hongjie Wu, Zhixiong You, Lidan Deng, Xinhong Qiu

Chem. Commun., 2019, 55, 14410-14413, DOI: 10.1039/C9CC05706D

作者简介

邓黎丹博士，武汉工程大学化工与制药学院讲师。2014年于日本京都大学取得博士学位，2014年10月起就职于武汉工程大学。

邱心泓博士，武汉工程大学化学与环境学院副教授。2014年于日本九州大学取得博士学位，2014年10月起就职于武汉工程大学。

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：溶解-沉淀平衡是矿物类材料在液-固体系中普遍存在的过程。在这个过程中，离子的溶解与再沉淀保持着动态的平衡。当外其他离子被引入到体系中时，动态平衡被破坏。外加离子将参与到再平衡过程，被固定在材料中。这种离子的固定方式与传统的浸渍法有本质上的不同。我们试图通过这种独特的离子固定方法来实现一种新的金属-载体强相互作用构筑路径。

Q：该研究成果可能有哪些应用？

A：层状双金属氢氧化物的组成多变，可以固定的金属离子更是种类广泛。非均相催化（如二氧化碳还原、甲烷氧化，醇的选择性氧化等）对催化剂的需要各不相同。利用该体系对金属选择的多样性，我们希望这种高效催化剂的构筑方法可以被推广到其他反应体系中。