近日，材料學(xué)院汪長安教授團(tuán)隊(duì)和機(jī)械系閆劍鋒副教授合作首次以超快激光誘導(dǎo)構(gòu)筑金屬-載體強(qiáng)相互作用(SMSI)。利用超快激光激發(fā)界面局部電場強(qiáng)度，調(diào)節(jié)原子擴(kuò)散速率和路徑，誘導(dǎo)表面缺陷形成以及亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)遷移，在一系列負(fù)載型貴金屬催化劑中構(gòu)筑金屬-載體界面強(qiáng)相互作用。這項(xiàng)工作為調(diào)控負(fù)載型貴金屬催化劑中金屬-載體間相互作用提供了一條新的途徑。

激光誘導(dǎo)金屬-載體強(qiáng)相互作用示意圖

1978年Tauster等首次發(fā)現(xiàn)二氧化鈦等可還原性載體負(fù)載的鉑族金屬在高溫還原后，對(duì)小分子（CO、H2）的吸附受到抑制，而小分子受抑制的現(xiàn)象不是由于貴金屬的燒結(jié)或中毒，因此將該現(xiàn)象命名為金屬-載體強(qiáng)相互作用(SMSI)。SMSI效應(yīng)可以深刻地影響催化劑的電子結(jié)構(gòu)和幾何形狀，從而改變催化劑的活性、選擇性和穩(wěn)定性，因此在近幾十年開展了廣泛的研究。一般認(rèn)為，經(jīng)典的SMSI效應(yīng)中貴金屬顆粒會(huì)被載體物種所包覆，但經(jīng)典的氫氣還原法一般只能在還原性載體上實(shí)現(xiàn)SMSI效應(yīng)。因此，為了更深入理解SMSI效應(yīng)，打破認(rèn)識(shí)邊界，并以此制備出高性能的催化劑體系，發(fā)展相對(duì)溫和環(huán)境下在還原性和非還原性載體中構(gòu)筑SMSI效應(yīng)的普適性的新方法具有非常重要的意義。

在這一工作中，以Pt/CeO2這一體系作為主要研究對(duì)象。研究發(fā)現(xiàn)，激光輻照過程中Pt和CeO2界面的電場強(qiáng)度明顯高于其它地區(qū)，這表明納米約束電場在SMSI的形成過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在局部場激發(fā)下CeO2載體表面形成了缺陷和亞穩(wěn)態(tài)CeOx物種，同時(shí)在激光的誘導(dǎo)下亞穩(wěn)態(tài)CeOx向Pt顆粒遷移，并在表面形成幾個(gè)原子層厚的非連續(xù)多孔包覆層。由于包覆層的多孔特性，使得催化劑具有更好的催化活性和穩(wěn)定性。利用超快激光這一策略，我們也在其它負(fù)載型貴金屬體系如Au/TiO2、Pd/TiO2、Pt/TiO2、Pt/Al2O3、Au/MgO、Pt/SiO2普適性的實(shí)現(xiàn)了SMSI效應(yīng)，為構(gòu)筑金屬-載體相互作用開辟了一條全新的思路。

超快激光誘導(dǎo)SMSI之后的表征：激光輻照過程中局部增強(qiáng)電場FDTD模擬(a-d)，新鮮Pt/CeO2的TEM和Mapping（e-h），激光輻照后Pt/CeO2的TEM和Mapping(i-l)（從上到下）

上述研究成果以“超快激光誘導(dǎo)的強(qiáng)金屬-載體相互作用”（Strongmetal-supportinteractionsinducedbyanultrafastlaser）為題，于11月18日在線發(fā)表于國際著名期刊《自然通訊》（NatureCommunications）上。材料學(xué)院2017級(jí)博士生張健和機(jī)械系2018級(jí)博士生朱德志為文章的共同第一作者，汪長安教授及機(jī)械系閆劍鋒副教授為文章共同通訊作者。本工作獲得了國家自然科學(xué)基金的資助。