大连化物所申文杰课题组：原子分散铜-氧化铈界面结构与低温水气变换反应性能的构-效关系

申文杰研究员团队基于氧化铈形貌效应分散铜物种，采用球差矫正扫描透射电子显微镜等研究铜-氧化铈界面剂原子结构与低温水气变换反应性能的构-效关系。

固体催化剂的效率很大程度上取决于催化剂在纳米尺度上的作用机制，在原子分子尺度上建立催化剂的尺寸、形貌、界面结构等与催化性能的构-效关系是多相催化的核心研究内容。氧化铈负载的铜基催化剂广泛应用于多相催化反应过程，铜与氧化铈载体之间的界面结构对催化反应起着至关重要的作用。但长期以来，很难明确鉴别和定量描述铜-氧化铈界面的原子结构，负载型铜-氧化铈催化剂体系的构-效关系一直存在争议。通过调变氧化铈载体的形貌，使其暴露具有不同氧空位、缺陷位的晶面，再将铜负载在这些暴露特殊晶面的氧化铈载体上，可以设计构建具有规整界面结构的氧化铈负载型铜基催化剂，通过电镜和谱学等手段，进而在原子尺度上分析催化剂的界面结构，研究催化反应中催化剂的构-效关系，也成为研制新型高效铜催化剂的一个重要手段。

最近，中国科学院大连化学物理研究所申文杰、周燕研究员等，在课题组前期氧化物形貌调控的基础上，基于氧化铈的形貌效应调变铜在氧化铈表面的分散及铜-氧化铈界面结构。以CeO₂纳米粒子、纳米棒、纳米立方体为载体负载铜，研究了铜物种在不同形貌的氧化铈表面的分散性对低温水气变换反应性能的影响规律；采用球差矫正扫描透射电子显微镜（AC-STEM）、原位光电子能谱（XPS）表征铜-氧化铈界面原子结构。发现铜物种在CeO₂纳米粒子和纳米棒表面主要以原子分散，而在纳米立方体上除存在原子分散和单层结构的铜物种，还形成多层铜团簇和铜纳米颗粒。Cu/CeO₂催化水气变换反应活性与Cu⁺-O_v-Ce³⁺含量正相关，表明Cu⁺-O_v-Ce³⁺为水气变换反应的活性位。该工作清晰展示了CeO₂表面铜物种的原子结构，将催化剂的构-效关系推进到了原子层次(见下图)。论文第一作者为中国科学院大连化学物理研究所宁静，通讯作者为申文杰、周燕研究员。 

该研究结果以“Atomically dispersed copper species on ceria for the low-temperature water-gas shift reaction”为题在线发表于SCIENCE CHINA Chemistry (2020, DOI:10.1007/s11426-020-9867-x).