中山大学黄海保教授团队JACS Au封面 | 可控界面电子Pd-Si相互作用加速O₂和H₂O活化提升整体催化效率

英文原题：Tunable interfacial electronic Pd-Si interaction boosts catalysis via accelerating O₂ and H₂O activation

通讯作者：黄海保，中山大学

第一作者：董韬、纪建

构建贵金属-氧化物活性界面，是提高负载型贵金属催化剂活性的一种有效方式。由于界面位点可以改变金属位点的电子和d带结构，形成EMSI（电子-金属载体相互作用）效应，加速电子的传递，促进反应分子之间的能级跃迁，进而使反应朝有利的方向进行。目前，在不可还原性氧化物表面构建界面位点，仍然是一个极具挑战性的研究。这是因为不可还原性氧化物结构太稳定，通过普通的还原或高温氧化处理难以获得氧化物封装层以形成界面位点。因此，在不可还原性载体上构建活性界面位点，调节其EMSI效应，对于高效纳米贵金属催化剂的研发具有重要的意义。

近日，中山大学黄海保教授团队通过在非还原性氧化物载体ZSM-5分子筛表面调节Pd与Si之间的EMSI效应，构建出一种新型的Pd-Si活性界面。实验结果与DFT计算表明，Pd-Si活性界面促进了电子由Si向Pd表面转移，显著降低了O₂和H₂O的活化能垒，加速了表面活性氧物种O₂⁻，O₂²⁻和-OH的生成，进而提升了甲醛降解效率。此外，适度的EMSI可以促进Pd⁰ ⇆ Pd²⁺的催化循环，从而更有利于反应物的吸附和活化，使催化剂具备更加优异的耐久性，经过长达114 h的测试后催化剂的活性未见下降。本研究为高性能贵金属催化剂的实际应用提供了一种有前景的设计策略。

图1. 界面调控示意图及相应催化剂的形貌和结构表征图

通过湿化学法调控无定型SiO₂的厚度以调节Pd-Si之间的EMSI强度，从图1可以观察到，随着TEOS的添加量增加，SiO₂的壳层厚度逐渐增加。

图2. XPS光谱图及EXAFS图

通过XPS等表征证明Pd表面呈电负性，电子由Si向Pd表面转移，Pd和Si之间存在EMSI效应。并进一步通过EXAFS光谱证明Pd-Si界面的成功构建。

图3. 甲醛氧化性能和本征动力学测试

甲醛氧化活性测试和动力学测试表明适度的EMSI最有利于甲醛的降解。Pd@SiO₂/ZSM-5-20表现出最佳的甲醛氧化活性，其ｒ和TOF为Pd/ZSM-5的15倍，表明活性界面可作为新的活性位点，可提升甲醛的降解效率。

图4. DFT计算O₂和H₂O在Pd-Si界面处活化路径

DFT计算表明电子由Si向Pd转移，Pd-Si活性界面降低了O₂和H₂O的活化能垒，更有利O₂和H₂O的活化。活化产生的O₂⁻，O₂²⁻和-OH物种协同促进了甲醛的降解。

图5.机理探究

通过in situ DRIFTS和DFT计算对甲醛降解路径进行探究，结果表明Pd-Si界面可以加速甲酸盐中间物种的降解，进而加速整个氧化反应过程。这一成果以“Tunable interfacial electronic Pd-Si interaction boosts catalysis via accelerating O₂ and H₂O activation”为题发表在JACS Au 期刊上，该文章被选为封面文章。文章第一作者为中山大学博士生董韬和纪建副研究员，通讯作者为黄海保教授。

通讯作者信息

黄海保

中山大学教授、博士生导师，大气环境与污染控制学科带头人，粤港空气污染控制研究中心主任、广东省室内空气污染控制工程技术研究中心主任。

黄海保，中山大学教授、博士生导师，大气环境与污染控制学科带头人，粤港空气污染控制研究中心主任、广东省室内空气污染控制工程技术研究中心主任。任国家空气净化产品质量监督检验中心专家委员会委员、中国环境科学学会VOCs污染防治专业委员会常委，入选“广东特支计划”科技创新人才计划。主要研究方向为VOCs污染控制、室内空气净化和环境催化材料等。在JACS Au、ES&T、Appl. Catal. B: Environ. 和ACS Catal. 等期刊发表第一/通讯作者SCI论文100余篇（其中中科院1区论文50余篇），ESI高被引论文8篇、热点论文1篇，总被引用6000余次，H因子45；申请国家专利30余项（转让4项）。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金和广东省科技计划重点项目等20余项。作为第一完成人获得广东省科学技术发明二等奖和广东省环境技术进步奖一等奖。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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