Schematisk illustration som visar aktiviteten och selektiviteten mot H2O2-syntes av 5 viktprocent Pd@Ni-3/TiO2, 5 viktprocent Pd@NiO-x/TiO2 (x =1, 2, 3, 4), 5 viktprocent Pd@void@Ni-3/TiO2 och 5 viktprocent Pd/TiO2. Kredit:Science China Press
En klass av stödda Pd@NiO-x core@shell-katalysatorer har konstruerats för direkt H 2 O 2 generation. Den optimerade Pd@NiO-3/TiO 2 uppvisade hög aktivitet, överlägsen selektivitet, låg nedbrytningsaktivitet och utmärkt stabilitet. Den unika, kavitetsinnehållen gränssnittsstruktur kan undertrycka överbindningen mellan Pd-kärna och (O-O)*, vilket är effektivt för att förhindra H 2 O-bildning och garanterar hög selektivitet för H 2 O 2 . Det nuvarande arbetet belyser vikten av gränssnittsteknik för Pd-baserade katalysatorer för direkt H 2 O 2 syntes.
Väteperoxid (H 2 O 2 ) är en mångsidig kemikalie, allmänt tillämpad i modern industri. Hittills, H 2 O 2 tillverkas industriellt genom en indirekt process som involverar sekventiell hydrering och oxidation av alkylantrakinon, en energikrävande, flerstegsprocess med höga kostnader. Däremot den direkta syntesen av H 2 O 2 från H2 och O2 förväntas vara det mest effektiva sättet att producera H 2 O 2 på grund av de anmärkningsvärda fördelarna med atomekonomi, låg energiförbrukning och H 2 O som dess enda biprodukt.
För närvarande, den direkta syntesvägen uppnås huvudsakligen av de stödda Pd-baserade katalysatorerna. Det största problemet i samband med det är relaterat till den låga selektiviteten hos H 2 O 2 . Trots stora ansträngningar för att konstruera Pd-baserade katalysatorer, förstå högpresterande Pd-baserade katalysatorer för direkt H 2 O 2 generering från antingen djup karaktärisering eller teoretisk undersökning är fortfarande extremt begränsade.
I en ny översikt publicerad i Beijing-baserade National Science Review , forskare vid Soochow University presenterar de senaste framstegen inom direkt H 2 O 2 generation. Medförfattare Yonggang Feng, Qi Shao, Bolong Huang, Junbo Zhang, och Xiaoqing Huang utvecklade en klass av Pd@NiO-x nanopartiklar med en unik core@shell-gränssnittsstruktur, som uppnår hög aktivitet, selektivitet och stabilitet för direkt H 2 O 2 syntes.
Dessa forskare tolkade mekanismen från både elektroniska och energiska synpunkter. "Traditionella Pd-baserade katalysatorer är mycket aktiva för sidoreaktionerna, såsom sönderdelning och hydrering av H 2 O 2 samt bildandet av H2O, " säger de i en artikel med titeln "Ytteknik i gränssnittet mellan kärna/skal nanopartiklar främjar väteperoxidgenerering."
"Det anses att den inneboende ytegenskapen hos Pd-baserade katalysatorer är väsentlig för selektiviteten och aktiviteten hos det direkta H 2 O 2 syntes, ", tillägger de. "Detta uppstår eftersom barriären för O-O bindning klyvning är känslig för Pd ytstruktur, nyckelparametern som styr H 2 O 2 syntes- och nedbrytningsaktivitet."
Skapandet av poröst NiO-skal är fördelaktigt för att exponera Pd-aktiva platser och på så sätt förbättra produktiviteten hos H 2 O 2 . "Genom att ställa in sammansättningen av Pd@NiO-x NPs och reaktionsförhållandena, effektiviteten hos H 2 O 2 syntesen kunde optimeras väl med 5 viktprocent Pd@NiO-3/TiO2 som uppvisar den högsta produktiviteten (89 mol/(kgcath)) och selektiviteten (91%) till H 2 O 2 samt utmärkt stabilitet, " konstaterar de.
"De första principsimuleringarna avslöjade ytterligare mekanismen från både elektroniska och energiska synpunkter, ", skrev forskarna. "Överlägsenheten i selektivitet uppnås genom en spontan bindning splittring av H-H och laddningsöverföring från O20 till O22- i håligheten av NiO som gränsar till Pd-ytan. (...) Den höga selektiviteten och aktiviteten gör den till en av de bästa katalysatorerna för direkt H 2 O 2 syntes som hittills rapporterats, ", tillägger de. "Det aktuella arbetet som rapporteras här belyser vikten av yt- och gränssnittskonstruktion av Pd-baserade katalysatorer för direkt H 2 O 2 syntes med i hög grad förbättrad aktivitet och selektivitet."
