Interface engineering core@shell nanopartikler til aktiv og selektiv direkte H2O2-generering

En klasse af understøttede Pd@NiO-x core@shell-katalysatorer er blevet konstrueret til direkte H ₂ O ₂ generation. Den optimerede Pd@NiO-3/TiO ₂ udvist høj aktivitet, overlegen selektivitet, lav nedbrydningsaktivitet og fremragende stabilitet. Den unikke, kavitetsindeholdt grænsefladestruktur kan undertrykke overbindingen mellem Pd-kerne og (O-O)*, som er effektiv til at forhindre H ₂ O-dannelse og garanterer høj selektivitet af H ₂ O ₂ . Det nuværende arbejde fremhæver vigtigheden af ​​interface engineering af Pd-baserede katalysatorer for direkte H ₂ O ₂ syntese.

Hydrogenperoxid (H ₂ O ₂ ) er et alsidigt kemikalie, bredt anvendt i moderne industri. Til dato, H ₂ O ₂ er industrielt fremstillet ved en indirekte proces, der involverer sekventiel hydrogenering og oxidation af alkylanthraquinon, en energikrævende, flertrinsproces med høje omkostninger. Derimod den direkte syntese af H ₂ O ₂ fra H2 og O2 forventes at være den mest effektive måde at producere H ₂ O ₂ på grund af de bemærkelsesværdige fordele ved atomøkonomi, lavt energiforbrug og H ₂ O som dets eneste biprodukt.

I øjeblikket, den direkte syntetiske vej opnås hovedsageligt af de understøttede Pd-baserede katalysatorer. Det største problem forbundet med det er relateret til den lave selektivitet af H ₂ O ₂ . På trods af store anstrengelser for at konstruere Pd-baserede katalysatorer, forståelse af højtydende Pd-baserede katalysatorer til direkte H ₂ O ₂ generering fra enten dyb karakterisering eller teoretisk undersøgelse er stadig yderst begrænset.

I en ny oversigt offentliggjort i Beijing-baserede National Science Review , forskere ved Soochow University præsenterer de seneste fremskridt inden for direkte H ₂ O ₂ generation. Medforfattere Yonggang Feng, Qi Shao, Bolong Huang, Junbo Zhang, og Xiaoqing Huang udviklede en klasse af Pd@NiO-x nanopartikler med en unik kerne@shell-grænsefladestruktur, som opnår høj aktivitet, selektivitet og stabilitet for den direkte H ₂ O ₂ syntese.

Disse videnskabsmænd fortolkede mekanismen ud fra både elektroniske og energiske synspunkter. "Traditionelle Pd-baserede katalysatorer er meget aktive for sidereaktionerne, såsom nedbrydning og hydrogenering af H ₂ O ₂ samt dannelsen af ​​H2O, " siger de i en artikel med titlen "Overfladeteknik i grænsefladen mellem kerne/skal nanopartikler fremmer brintoveriltegenerering."

"Det anses for, at den iboende overfladeegenskab af Pd-baserede katalysatorer er afgørende for selektiviteten og aktiviteten af ​​det direkte H ₂ O ₂ syntese, " tilføjer de. "Dette opstår, fordi barrieren for O-O-bindingsspaltning er følsom over for Pd overfladestruktur, nøgleparameteren for H ₂ O ₂ syntese- og nedbrydningsaktivitet."

Skabelsen af ​​porøs NiO-skal er gavnlig til at eksponere Pd-aktive steder og dermed øge produktiviteten af ​​H ₂ O ₂ . "Ved at justere sammensætningen af ​​Pd@NiO-x NP'er og reaktionsbetingelserne, effektiviteten af ​​H ₂ O ₂ syntese kunne godt optimeres med 5 vægt% Pd@NiO-3/TiO2, der udviser den højeste produktivitet (89 mol/(kgcath)) og selektivitet (91%) til H ₂ O ₂ samt fremragende stabilitet, " fastslår de.

"De første principsimuleringer afslørede yderligere mekanismen fra både elektroniske og energiske synspunkter, ", skrev forskerne. "Selektivitetens overlegenhed opnås ved en spontan bindingsspaltning af H-H og ladningsoverførsel fra O20 til O22- i hulrummet af NiO, der interfacer med Pd-overfladen. (...) Den høje selektivitet og aktivitet gør den til en af ​​de bedste katalysatorer for den direkte H ₂ O ₂ syntese rapporteret til dato, " tilføjer de. "Det nuværende arbejde, der er rapporteret her, fremhæver vigtigheden af ​​overflade- og grænsefladekonstruktion af Pd-baserede katalysatorer for den direkte H ₂ O ₂ syntese med stort set øget aktivitet og selektivitet."