近年来随着科学技术和先进表征手段的不断进步，在非均相催化领域，越来越多的学者将研究重点聚焦在对真实催化过程的研究上。相比以往过程中，催化剂设计研究的“黑箱”模式和“炒菜”模式，采用原位技术手段跟踪催化反应过程，推演催化反应实质越来越受到科学家的重视。利用原位表征技术不仅可以做到，在反应过程中真实解析催化反应过程为完善催化理论提供依据，而且结合原位过程中的关键结构变化还可为催化剂的定向设计提供研发思路。

负载型金属催化剂是工业中常用的催化剂之一。通常在工业催化应用过程中，金属催化剂中往往会添加一些助剂以达到提高催化性能和催化效果的作用。但是助剂到底在催化化学反应过程中以怎样的形式而起作用的，这种作用又是怎样作用金属催化剂而影响反应性能的呢？这些问题仍然还没有得到清楚的理解以及较为直观的论证依据。

近日，中国科院大连化学物理研究所电镜技术研究组（DNL2002）副研究员刘岳峰、研究员刘伟与河北工业大学研究员王菲等人合作，利用原位电镜技术，对费托合成中Co/β-SiC催化剂上ZrO2物种在原子尺度上进行了解析。实验过程中，研究人员采用原位/准原位的球差电镜能谱（EDS）和能量损失谱（EELS）对不同Zr/Co原子比的催化剂进行了分析。研究结果发现，在较低Zr/Co比下，锆物种在钴纳米颗粒上呈单分散状态。增加锆的含量，钴表面将形成无定形的锆包覆层。在更高Zr浓度下（如：20 wt%），钴催化剂将被氧化锆完全包覆，从而导致催化剂的失活。

图1：不同接触形态的ZrCo/β-SiC催化剂

研究表明，在低浓度锆促进的Co/β-SiC 上，催化剂活性的增加得益于CO在表面金属钴以及路易斯酸性位点的解离。进一步对反应结果与不同Zr/Co进行量化关联分析发现，单分散的锆促进的Co催化剂上反应活性的提高与催化剂上增强CO解离相关。

图2：不同催化剂上费托合成性能变化

图3 Zr/Co 摩尔比与催化性能关联图

球差电镜下的能量损失谱实验和DFT理论计算表明，在单位点的锆物种和钴纳米颗粒上存在明显的电子转移。

得益于锆物种与钴之间的电子转移，使得氢气分子和费托合成中的中间产物在催化剂上的吸附得到了增强，从而使得在相同CO转化率下，氧化锆促进的钴催化剂上具有更高的长链烃选择性。该研究工作结果为长期以来催化剂助剂研究的“黑箱”模式从原子水平上提供了直观的研究证明，同时也为现代催化剂助剂的构-效关系的深入研究建立了的典范。

相关成果发表在国际著名期刊ACS Catalysis上，并作为封面文章进行报道。中科院大连化物所联培硕士朴宇昂，大连化物所电镜技术研究组（DNL2002）博士后蒋倩为论文共同第一作者。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscatal.0c01874