近日，金屬所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室磁性材料與磁學研究部張志東研究員、馬嵩副研究員、王瀚博士等組成的團隊、催化材料研究部蘇黨生研究員與寧波材料研究所張建研究員團隊、中國工程物理研究院表面物理與化學國家重點實驗室彭麗霞博士共同合作，利用碳包覆鈷磁性納米膠囊結構中缺陷石墨殼層的束縛作用，合成了富含高指數晶面的氧化鈷催化劑，在甲烷催化燃燒反應中體現出可替代貴金屬鈀、鉑的潛力。相關結果在線發表在Nature Communications（DOI: 10.1038/ncomms8181）上。
貴金屬在眾多催化反應中體現出優異性能，但由于其固有的稀缺特性和高昂成本，使得貴金屬替代研究成為國際催化領域的重要發展方向之一。根據已掌握的反應機理，利用新穎的材料合成方法制備富含活性中心的納米結構，降低關鍵步驟能壘、提升反應速率，可在較低反應溫度和壓力下獲得較高的反應活性和目標產物選擇性。低成本的鐵、鈷等過渡金屬可以合金、氧化物、碳化物等形式存在，這些化合物組成各異、晶相多樣，有望通過精確設計在晶體生長階段實現活性中心的表面富集，使其具有接近或超越貴金屬的催化性能。
工業廢氣和汽車尾氣中一般含有C1~C4低碳烴類（甲烷、乙烷、乙烯、丙烷等），與大氣顆粒物發生吸附和光、熱化學反應后形成二次有機氣溶膠，是霧霾中碳質顆粒物的主要來源。本研究通過原位氧化方法將碳包鈷納米顆粒局部破殼，金屬鈷暴露后發生的劇烈氧化過程導致內核體積膨脹，殘留的石墨外殼輔助形成缺陷度較高的氧化鈷顆粒。催化反應動力學表明，該催化劑具有轉換頻率高、表觀活化能低的特點，反應速率對氧分壓無明顯的依賴關系，并在一氧化碳、丙烷、苯系物的完全氧化反應中體現出較高活性。目前，研究人員正利用石墨殼層誘導效應合成其他可變價過渡金屬氧化物，并探索其在催化、儲能、燃料電池等領域的潛在應用。
上述工作得到了國家自然科學基金委等項目的資助。
圖1：缺陷石墨殼層誘導合成Co3O4納米顆粒示意圖
圖2：甲烷燃燒催化反應動力學及反應后催化劑表征
