負載型金屬催化劑在整個工業催化領域發揮著十分重要的作用。然而，作為負載型金屬催化劑，載體材料對活性金屬納米粒子催化性能的影響發揮著十分重要的作用。催化劑的載體能夠影響金屬納米粒子在其表面的分散情況、粒徑大小、暴露晶面等。同時，通過調變載體與金屬納米粒子之間的相互作用亦可以提高金屬納米粒子的催化活性、選擇性和穩定性，進而提高金屬納米粒子的使用效率和循環使用能力。因此，尋求和制備具有特殊物性的催化載體材料一直是催化領域研究的熱點之一。
近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室催化材料研究部研究員蘇黨生和副研究員劉洪陽帶領的研究團隊，首次利用石墨烯和納米金剛石復合的核殼結構材料（ND@G）為載體制備一種高性能的鈀/碳（Pd/C）催化劑。將這種Pd/C催化劑用于催化氧化CO時發現，與傳統sp2 雜化的洋蔥碳（OLC）上的負載Pd納米催化劑相比，ND@G負載的鈀納米催化劑(Pd/ND@G)表現出了更加優異的催化劑性能（圖1）。利用高分辨透射電子顯微鏡、球差分辨的高角度環形暗場-掃描透射電子顯微鏡以及同步輻射X-射線吸收精細結構譜等手段對催化劑進行了詳細的表征。研究發現，與傳統的碳載體相比，由于ND@G載體表面具有豐富石墨烯缺陷能夠增強Pd納米粒子與納米碳載體之間的相互作用，進而改變了Pd納米顆粒的幾何形貌和結構（圖2）并且能夠顯著提升Pd納米粒子在碳載體表面的抗燒結能力（圖3）。同時研究還發現，這種Pd/ND@G催化劑中強的金屬-載體相互作用以及Pd 納米粒子特殊的幾何結構能夠明顯減弱CO分子在Pd 納米粒子表面的吸附（圖4），進而促進了O2分子在Pd 納米粒子的吸附解離，提高了催化劑低溫催化CO氧化的能力。該工作為設計合成高性能的納米碳負載金屬催化劑提供了一個新的思路。該工作以快訊的形式在Angewandte Chemie International Edition 在線發表（DOI: 10.1002/anie.201507821）。
近年來，催化材料研究部通過調控納米碳載體的結構和性質來提升納米碳負載金屬催化劑的催化性能取得了系列進展，相關工作發表在Angewandte Chemie International Edition (2014, 53, 12634-12638)、ChemCatChem (2014, 6, 2600-2606)、Small (2015, 11, 5059-5064)、Catalysis Today (2016, 260, 55–59)等國際學術期刊上。
上述工作得到了國家重點基礎研究發展計劃“973”項目、國家基金委青年基金、國家基金委面上項目、國家基金委重大研究計劃、國家基金委重點項目、中科院戰略先導項目、中石化企業項目的資助以及上海同步輻射光源X射線吸收精細結構譜線站BL14W1提供的大力支持。
圖1. Pd/ND@G和Pd/OLC在CO氧化反應中的催化性能：（a）CO轉化率隨溫度的變化，（b）不同溫度下的TOF值
圖2. 高分辨的HADDF-STEM電鏡照片：(a, b)Pd/ND@G，(c, d)Pd/OLC，Scale bars: 2 nm
圖3.（a）不同催化劑在500℃下焙燒前后的XRD譜圖，（b）Pd/ND@G在不同溫度下焙燒6小時后的XRD譜圖
圖4. 不同催化劑上吸附CO后的程序升溫脫附譜圖