我国Cu基多元复合金属氧化物介晶材料的普适性合成及其催化应用研究取得新突破

科技日报记者 马爱平

科技日报记者从中科院过程所研究员苏发兵团队和北京工商大学教授纪永军团队获悉，由该联合团队负责的“Cu基多元复合金属氧化物介晶材料的普适性合成及其催化应用研究”取得新突破——提供了一种Cu基三元复合金属氧化物介晶材料的自下而上的普适性合成方法，即无表面活性剂和聚合物添加的溶剂热法。

介晶是一类由纳米晶以结晶学有序的方式排列而成的纳米粒子超结构非经典晶体，不同于以离子、原子和分子为构筑单元的传统经典的结晶过程，由于结合了单个纳米颗粒和有序介尺度结构(从几纳米到几个微米)使得介晶产生很多新的集合特性，在催化、气敏、光电、生物医学、能源转化等领域具有广阔的应用前景。

目前已经合成出来的介晶材料主要为单元金属、单元金属氧化物和复杂化合物介晶，采用的制备技术多为水热法和溶剂热法，合成过程中往往使用大量聚合物和表面活性剂，不仅增加了制备成本，还可能带来一些环境污染，而关于多元复合金属氧化物介晶由于合成难度很大，几乎鲜有报道。

“介晶的性能和应用总体来说还处于初期探索阶段。”苏发兵表示，目前相对来说研究较多的是介晶在光催化降解反应、锂离子电池和超级电容器、气敏等方面的性能，还未见到其在传统化学工业领域的催化应用研究。

该联合团队提供了一种Cu基三元复合金属氧化物介晶材料的自下而上的普适性合成方法，即无表面活性剂和聚合物添加的溶剂热法。

研究团队借助多种表征技术对反应过程的中间产物进行追踪，揭示了Cu基三元复合金属氧化物介晶材料由纳米单元到微米介晶结构的自下而上的组装演化机制。

Cu基三元复合金属氧化物介晶材料的形成机理示意图

三氯氢硅（TCS）是生产太阳能晶硅的主要原料，也是生产硅烷偶联剂和其它有机硅产品的重要中间体。工业上，目前TCS主要是通过冶金硅氢氯化的非催化反应来生产，并伴随产生大量副产物四氯化硅（STC），提高TCS的选择性并降低生产成本对于太阳能行业和有机硅行业意义重大。

将合成出的新型Cu基介晶材料用于硅氢氯化反应的催化剂时，研究团队发现，与工业不加催化剂、一元和二元Cu基介晶材料相比，三元介晶材料CuO-ZnO-In2O3的TCS的选择性和得率明显提升，表观活化能大幅下降。

三元介晶材料CuO-ZnO-In2O3在硅氢氯化反应中的催化性能数据及其与工业不加催化剂、一元和二元介晶材料的性能对比图

显著地，同等反应条件下（300℃，常压），相较于工业不加催化剂，CuO-ZnO-In2O3的TCS得率提高了19倍。

“通过构效关系研究，我们揭示了三元介晶材料高效的催化效率主要归因于其纳米尺度的异质结界面促进了电荷的转移，以及界面附近对CuO纳米颗粒产生的晶格应力推动了反应物气体的吸附和活化。进一步结合理论计算，我们提出了三元介晶材料CuO-ZnO-In2O3催化硅氢氯化反应的机理。”苏发兵表示。

三元介晶材料CuO-ZnO-In2O3催化硅氢氯化反应的建议机理图

据悉，该研究相关成果发表在《纳米研究》杂志上。文章第一作者为中科院过程所博士刘合之。该研究得到国家自然科学基金等项目支持。上海大学教授汪学广、北京工业大学教授尉海军、广东以色列理工学院教授钟子宜、中科院物理所研究员谷林、沈阳化工大学教授许光文以及清华大学副教授王定胜和教授李亚栋为该研究提供了帮助。