关于氮化硼催化剂载体的偶然发现：特定场景潜力巨大！
来源：粉体圈
中科院院士包信和曾经说过，虽然人们知道化学反应需要催化剂，但是化学反应“催化”的原理，科研界知之甚少，可以说还是个“黑匣子”。
近日，大连化物所傅强研究员与包信和院士团队在研究中发现，过渡金属催化剂与惰性的六方氮化硼（h-bn）载体之间存在经典的金属—载体强相互作用（strongmetal-support interaction, smsi），并且氮化硼载体在甲烷二氧化碳干重整（drm）反应中表现出优异的性能。
01
科普
金属-载体强相互作用（smsi）是催化科学常见现象，指在特定气氛下，载体会迁移并逐步包裹金属催化剂，形成的包裹层修饰了活性金属表面的吸附性质和电子状态，进而改变了催化剂的反应性能。多数时候，由于表面活性位被包裹层覆盖，处于smsi状态下的催化剂会减效甚至失效。
甲烷二氧化碳干重整反应（dryreforming of methane,drm）可以同时将两种温室气体转化为合成气（co h2），ni基催化剂兼具高效率和低成本，但需要解决在严苛和长时间反应条件下的催化剂烧结和积碳的问题。
02
氮化硼载体
ni/h-bn催化剂反应40h后的低倍率tem图像，如图所示：平均粒径为13.3nm的镍粒径分布，在每个镍纳米颗粒周围都可以清楚地看到纳米坑。
六方氮化硼（h-bn）是由类似于石墨烯的层状结构依次堆叠起来的，具有十分优异的机械性质和化学及热稳定性，常被用作极端条件下的保护层材料。因此在催化研究中，作为载体也被理所当然的认为是对smsi效应“惰性”的材料。
但是研究人员在利用h-bn片层材料负载金属ni纳米粒子时发现，催化drm反应40h之后，ni纳米粒子周围的h-bn纳米片表面被刻蚀，出现了许多纳米级的小坑，这说明了ni与h-bn在drm反应气氛下出现了相互作用过程。
与传统的smisi效应中的致密氧化物包裹抑制催化反应不同，h-bn体系中的smsi效应还具有其独特性，由于硼元素的氧化物常常处于非晶态结构，并且drm反应的工作温度（750oc）也高于其熔点。因此，反应条件下box覆盖层处于无定形的状态，并具有很强的流动性，这可能有利于反应物分子接触到金属表面并被活化。
总结
研究人员发现，只有在中等氧化能力的气氛如co2和h2o中，才能诱导发生h-bn被刻蚀的现象。强还原性气氛（如h2和co），或者强氧化性气氛（例如o2）都没有刻蚀发生。h-bn体系中的smsi效应还具有一定的普适性，相似的现象也可以推广到fe，co，ru和pt等金属催化剂中。
由此可见，氮化硼作为催化剂载体在特定应用场景下潜力巨大！中科院院士包信和曾经说过，虽然人们知道化学反应需要催化剂，但是化学反应“催化”的原理，科研界知之甚少，可以说还是个“黑匣子”。
近日，大连化物所傅强研究员与包信和院士团队在研究中发现，过渡金属催化剂与惰性的六方氮化硼（h-bn）载体之间存在经典的金属—载体强相互作用（strongmetal-support interaction, smsi），并且氮化硼载体在甲烷二氧化碳干重整（drm）反应中表现出优异的性能。
01
科普
金属-载体强相互作用（smsi）是催化科学常见现象，指在特定气氛下，载体会迁移并逐步包裹金属催化剂，形成的包裹层修饰了活性金属表面的吸附性质和电子状态，进而改变了催化剂的反应性能。多数时候，由于表面活性位被包裹层覆盖，处于smsi状态下的催化剂会减效甚至失效。
甲烷二氧化碳干重整反应（dryreforming of methane,drm）可以同时将两种温室气体转化为合成气（co h2），ni基催化剂兼具高效率和低成本，但需要解决在严苛和长时间反应条件下的催化剂烧结和积碳的问题。
02
氮化硼载体
ni/h-bn催化剂反应40h后的低倍率tem图像，如图所示：平均粒径为13.3nm的镍粒径分布，在每个镍纳米颗粒周围都可以清楚地看到纳米坑。
六方氮化硼（h-bn）是由类似于石墨烯的层状结构依次堆叠起来的，具有十分优异的机械性质和化学及热稳定性，常被用作极端条件下的保护层材料。因此在催化研究中，作为载体也被理所当然的认为是对smsi效应“惰性”的材料。
但是研究人员在利用h-bn片层材料负载金属ni纳米粒子时发现，催化drm反应40h之后，ni纳米粒子周围的h-bn纳米片表面被刻蚀，出现了许多纳米级的小坑，这说明了ni与h-bn在drm反应气氛下出现了相互作用过程。
与传统的smisi效应中的致密氧化物包裹抑制催化反应不同，h-bn体系中的smsi效应还具有其独特性，由于硼元素的氧化物常常处于非晶态结构，并且drm反应的工作温度（750oc）也高于其熔点。因此，反应条件下box覆盖层处于无定形的状态，并具有很强的流动性，这可能有利于反应物分子接触到金属表面并被活化。
总结
研究人员发现，只有在中等氧化能力的气氛如co2和h2o中，才能诱导发生h-bn被刻蚀的现象。强还原性气氛（如h2和co），或者强氧化性气氛（例如o2）都没有刻蚀发生。h-bn体系中的smsi效应还具有一定的普适性，相似的现象也可以推广到fe，co，ru和pt等金属催化剂中。由此可见，氮化硼作为催化剂载体在特定应用场景下潜力巨大！