大连化物所发现反应诱导金属-载体强相互作用实现催化选择性定向调控

近日，大连化物所催化基础国家重点实验室纳米与界面催化研究组（502组）傅强研究员和包信和院士团队在金属-氧化物界面催化研究方面取得新进展，发现在二氧化碳加氢反应中气氛诱导钌（Ru）与氧化钼（MoO₃）之间发生金属-载体强相互作用（SMSI），实现催化反应选择性的定向调控。

金属-载体强相互作用是多相催化中的经典概念之一，经常发生于金属/氧化物催化剂的还原预处理过程中，担载的金属粒子会被载体薄层结构所包裹，由此导致催化性能的降低。

该团队基于担载金属催化剂的原位表界面表征研究，在金属/碳化物催化体系中发现金属-载体强相互作用（J. Am. Chem. Soc.，2018），进一步在惰性的六方氮化硼（h-BN）载体和金属催化剂之间也确认存在SMSI效应（J. Am. Chem. Soc.，2020；JPC Lett.，2021），这些动态结构变化均能提高催化反应的活性或稳定性。

在本工作中，研究人员发现Ru-MoO₃催化剂在二氧化碳加氢反应中产物选择性呈现动态变化，随着反应进行选择性从100%CH₄逐渐转变为99.0%CO。原位表征表明，反应气氛可以诱导MoO₃载体表面还原形成缺陷活性层（MoO_3-x），进一步迁移至金属Ru表面形成包裹结构Ru@MoO_3-x；该结构的演变导致反应从金属Ru催化的甲烷化转变为缺陷MoO_3-x主导的逆水气变换。表面分析揭示，金属Ru限域稳定的缺陷态MoO_3-x活性层具有优异的二氧化碳催化转化性能及高温稳定性。本工作揭示了反应气氛诱导SMSI发生，并形成缺陷氧化物/金属界面限域活性结构，有效增强了催化反应性能。

相关工作以“Overturning CO₂ Hydrogenation Selectivity with High Activity via Reaction-Induced Strong Metal–Support Interactions”为题，于近日发表在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）上。该成果的第一作者是我所502组博士后辛慧。上述工作得到了国家自然科学基金科学中心“动态化学前沿研究”、科技部重点研发计划、洁净能源创新研究院合作基金等项目的资助。（文/图 辛慧）

文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.1c12603