专栏名称: 科学温故社

知幽渺之理而收显著之效：从实验到理论，探索催化反应隐藏的信息与机理，打开催化过程“黑匣子”

【总结】中国科学院大连化物所邓德会研究员团队近年来工作概览

科学温故社 · 公众号 · · 2024-06-26 17:13

正文

请到「今天看啥」查看全文

邓德会研究员简介

邓德会，中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，国家重点研发计划首席科学家。2013年受聘到中国科学院大连化物所工作至今，期间于2015-2016年在美国斯坦福大学做访问学者，目前担任中国科学院大连化物所能源与环境小分子催化研究中心主任。邓德会研究员团队聚焦能源与环境小分子催化转化方面的基础科学与工业应用研究，在二维催化材料表界面调控研究的基础上，针对能源与环境小分子催化转化过程中的重大科学问题和挑战开展了系统的研究，已取得的主要成果包括：1）原创提出“铠甲催化”概念，解决了非贵金属催化剂在苛刻反应条件下活性低和稳定性差的难题，基于此研制出低能耗、长寿命电解水制氢制氧系统并实现产业应用，进一步研发出国际首套25千瓦级海水制氢联产淡水中试装置，并通过中国石化联合会的科技成果评价，达到国际领先水平；2）利用二维硫化钼富边硫空位限域双钼位点，首次实现了甲烷与氧气室温直接催化转化制C1含氧化合物；3）利用二维硫化钼硫空位限域的钼原子，首次实现低温、高效、长寿命催化二氧化碳加氢制甲醇，并与中化集团西南院签订技术合作协议，进行中试放大技术开发。

该团队共发表SCI论文105篇，SCI他引1.9万余次，22篇ESI高被引论文（top 1%），单篇被引用超过1000次的论文6篇。邓德会研究员作为通讯或第一作者（含共同）在 Nat. Catal. （3篇）、 Nat. Nanotechnol.、Nat. Synth.、Nat. Commun. （7篇）、 Joule、Chem （4篇）、 Matter （2篇）、 Chem. Rev.、Sci. Adv.、Angew. Chem. Int. Ed. （12篇）、 J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater. （4篇）、 Energy Environ. Sci. （5篇）、 Natl. Sci. Rev. 等国际知名刊物上发表SCI论文92篇（其中影响因子大于10论文70篇）；申请专利147件，含国际/PCT专利28件，授权41件，专利许可给企业4件。主持科技部国家重点研发计划项目、基金委重大项目（课题）、英国bp公司国际合作项目、辽宁滨海实验室工业示范项目等多个纵向和横向项目。获国家杰出青年基金支持（2022），入选中国科学院青年促进会优秀会员（2019）、科睿唯安全球“高被引科学家”（2022、2023）。获2020年度国家自然科学奖一等奖（第四完成人）、2023年度青山科技奖、中国科学院青年科学家奖（2022）、中国科学院青年五四奖章（2022）等荣誉。目前担任 Chinese Journal of Chemistry 期刊副主编， Chem Catalysis、Journal of Energy Chemistry、EnergyChem、The Innovation、Carbon Future、Surface Science and Technology 、《化学学报》、《结构化学》等期刊的（青年）编委或顾问编委。

研究中心简介

中国科学院大连化学物理研究所能源与环境小分子催化研究中心（509组群）面向国家能源变革、“双碳”目标、人民生命健康的迫切需求，聚焦二维材料的表界面调控与能源和环境相关惰性小分子在温和条件下的高效转化，通过二维材料催化剂的精准设计与多能耦合反应过程上的创新，突破惰性小分子在温和条件下的高效催化转化瓶颈，并进行工业化应用探索，实现从催化基础理论到工业应用的创新和突破。

研究中心主任为邓德会研究员。研究中心现有研究人员82名，其中职工17人，包括研究员2人、副高级人员5人、工程师等10人，博士后12人，研究生53人。研究中心先后承担国家科技部、国家基金委、中国科学院等科研项目70余项，目前在研项目40余项，包括基金委基础科学中心项目、科技部重点研发计划、基金委国家杰出青年科学基金、辽宁滨海实验室科技项目、英国bp公司国际合作项目等。

近年来研究工作概览

（1）二维材料及其杂化结构的表界面调控

围绕催化新材料的开发与催化新概念的发展，基于该团队提出的二维“铠甲催化”和二维“晶格限域催化”，通过对二维材料表界面的精准设计、合成与调控研究，开发新型高效二维材料催化剂，并揭示二维“铠甲催化”电子穿透与二维晶格限域调控催化活性、选择性和稳定性的物理化学本质与规律。

图1. 二维“铠甲催化”（左）及二维“晶格限域催化”（右）。

在“铠甲催化”研究方面，自“铠甲催化”概念提出以来（ Angew. Chem. Int. Ed. 2013 , 52 , 371），该团队已将其成功应用于电解水、电解硫化氢、氧还原等系列催化体系（ Angew. Chem. Int. Ed. 2014 , 53 , 7023; Energy Environ. Sci . 2014 , 7 , 1919; Angew. Chem. Int. Ed . 2015 , 54 , 2100; Energy Environ. Sci. 2016 , 9 , 123; Energy Environ. Sci. 2020 , 13 , 119; Adv. Mater. 2020 , 32 , 1908126; Nat. Commun. 2021 , 12 , 7072; The Innovation 2021 , 2 , 100144），解决了苛刻条件下非贵金属催化剂活性低和稳定性差的难题。围绕此概念，已在 Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun. 等国际著名刊物上发表文章30余篇，其中4篇文章单篇引用大于1000次。“铠甲催化”概念已得到国内外百余个研究团队的验证和跟进研究。

在二维“晶格限域催化”方面，该团队开发了二维Mo S ₂ 硫空位限域Mo位点（ Nat. Catal. 2023 , 6 , 1052; Nat. Catal . 2021 , 4 , 242）、二维Mo S ₂ 共限域Co/Se原子（ Nat. Commun. 2020 , 11 , 3315）、二维Mo S ₂ 晶格限域Rh原子（ Angew. Chem. Int. Ed. 2020 , 59 , 10502）、二维石墨烯晶格限域Fe原子（ Chem 2018 , 4 , 1902）和新型二维金属氢化物2D-RhH（ Matter 2023 , 6 , 3877）催化剂，实现了温和条件下能源与环境小分子的高效催化转化，为新型二维催化材料的设计与优化提供了重要借鉴。

（2）能源与环境小分子催化转化

面向温和条件下能源与环境小分子（ CH ₄ 、CO ₂ 、N ₂ 、H ₂ O 等）的高效活化与定向转化，在二维催化材料表界面调控的基础上，该团队利用热催化、电催化、或热-电协同耦合技术来实现C1（C H ₄ 、CO、C O ₂ ）、空气（ N ₂ 、 O ₂ ）、水等能源与环境小分子在温和条件下的活化转化。

针对能源小分子催化转化，该团队利用石墨烯限域的单铁中心催化剂实现室温C H ₄ 直接催化转化制C1含氧化合物（ Chem 2018 , 4 , 1902，图2左）；利用二维Mo S ₂ 边限域Mo位点实现室温C H ₄ 与 O ₂ 直接转化制C1含氧化合物（ Nat. Catal. 2023 , 6 , 1052，图2右）；开发了ZSM-5孔道晶格限域配位不饱和Fe位点（ Nano Energy 2021 , 82 , 105718）、二维Ru纳米片边缘晶格限域Cu位点（ Chem Catal . 2022 , 2 , 2253）在温和条件下催化C H ₄ 高效定向转化过程；发展了用CO/ H ₂ O原位生成活性氢来代替 H ₂ 的温和条件加氢反应新过程（ Nat. Catal . 2023 , 6 , 1005）；利用K修饰的富边二维Mo S ₂ 实现CO高选择性加氢到多碳醇（ C _2-4 OH）（ Nat. Commun. 2023 , 14 , 6808）；开发了室温电化学水气变换反应（EWGS），实现了在常温常压下利用水和CO低能耗直接制备高纯氢气（ Nat. Commun . 2019 , 10 , 86）。

图2. 石墨烯限域的单铁中心催化剂实现室温C H ₄ 直接催化转化制C1含氧化合物（左）；二维Mo S ₂ 边限域Mo位点实现室温C H ₄ 与 O ₂ 直接转化制C1含氧化合物（右）。

针对环境小分子催化转化，该团队利用富含硫空位的二维Mo S ₂ 实现低温、高效、长寿命C O ₂ 催化加氢制甲醇（ Nat. Catal . 2021 , 4 , 242，图3）；基于此工作，已与中化集团西南化工研究设计院合作开展中试放大研究。此外，该团队通过均-多相融合热-电耦合催化实现了室温下 N ₂ 与 O ₂ 直接转化制硝酸新反应过程（ Nat. Synth. 2024 , 3 , 76）；利用富含边结构的二维Mo S ₂ 催化剂实现高效C O ₂ 加氢制甲酸盐，提出了新的水介导选择加氢机理（ Angew. Chem. Int. Ed. 2023 , 62 , e202307086）；揭示了金属 -N ₄ 活性中心电催化还原C O ₂ 的反应机理及活性趋势，对设计高性能金属-氮-碳催化剂具有重要指导意义（ Angew. Chem. Int. Ed . 2018 , 57 , 16339）；综述了膜电极电催化还原C O ₂ 的基本原理和应用实例，为实现高效、低能耗电催化还原C O ₂ 制备高附加值化学品提供了重要借鉴（ Angew. Chem. Int. Ed . 2023 , 62 , e202302789）；综述了C O ₂ 加氢制C1产物的研究进展，并对C O ₂ 加氢的选择性调控策略、该领域存在的挑战和未来的发展方向作出了深入思考和前瞻性展望（ Chem 2024 , 10 , 1084）。

图3. 富含硫空位的二维Mo S ₂ 实现低温、高效、长寿命C O ₂ 催化加氢制甲醇。

（3）催化反应动态解析

面向二维铠甲催化剂与二维晶格限域催化剂原子结构、电子特征与催化机制的深入认识与理解，该团队发展高时空分辨、原位多场耦合、智能辅助解析的特色原位表征技术与数据分析方法，围绕二维催化剂动态结构演化、中间态捕捉、产物原位实时检测，研发热、电、等离子体多场加载技术以及电镜-能谱-光谱-质谱互联耦合表征系统，实现反应过程的跨尺度/设备的催化微结构与反应过程的同步表征与解析。

图4. 能源与环境小分子催化过程的动态解析。通过耦合原位显微（左）与结构定量方法（右），揭示催化反应活性的活性原子结构与反应机制。

该团队建立了等离子体/热/光/电耦合漫反射原位傅立叶变换红外光谱，表面增强型全反射原位电化学红外表征平台；研制了国内首款环境电镜专用的mbar级负压定量混气控压系统；开发了基于电镜HAADF图像的原子识别统计分析分析方法；开发了等离子体激发与原位红外/拉曼光谱互联表征平台；研制了可用于同步辐射XAFS表征的电化学原位反应池。在此基础上，发展了反应过程中催化剂原子结构实时成像的原位电镜解析方法（ Nat. Catal. 2020 , 3 , 411，图5）、揭示了二维Mo S ₂ 催化C H ₄ 与 O ₂ 直接转化制C1含氧化合物的活性位结构（ Nat. Catal. 2023 , 6 , 1052）、二维Mo S ₂ 催化C O ₂ 低温加氢制甲醇的高选择性反应路径（ Nat. Catal. 2021 , 4 , 242）、热-电耦合催化 N ₂ 与 O ₂ 直接转化制硝酸的活性中间体（ Nat. Synth. 2024 , 3 , 76）、Co/Se共掺杂Mo S ₂ 电催化析氢的活性位结构（ Nat. Commun. 2020 , 11 , 3315）。已在 Nat. Catal.、Nat. Synth.、Nat. Commun. 等国际著名期刊发表相关文章20余篇。

图5. 针对催化反应微观过程的原位电镜动态成像与数据定量分析方法研究。

（4）理论与智能催化

针对二维“铠甲催化”与“晶格限域催化”概念的发展和完善，该团队结合密度泛函理论计算、大数据机器学习与智能机器人自动化实验，研究二维表界面原子与电子结构调控机制，探索惰性小分子催化转化新过程和机理，揭示二维“铠甲催化”和“晶格限域催化”的物理化学本质，设计新型高效催化剂并进行高通量智能自动化筛选（图6）。

图6. 理论与智能催化研究框架。

系统研究了铠甲催化剂金属内核的电子穿透效应对铠甲表面电子结构与催化活性的调控规律，并探索了铠甲种类和结构对电子穿透效应的影响，初步建立了“铠甲催化”概念的基本理论框架（ Angew. Chem. Int. Ed. 2020 , 59 , 15294）。针对温和条件下的C H ₄ 活化，揭示了基于二维晶格限域配位不饱和金属氧物种O*-Metal-O*的C H ₄ 高效活化机制，包括二维Mo S ₂ 边硫空位限域O*-Mo-O*（ Nat. Catal. 2023 , 6 , 1052）、二维RuCu纳米片边限域O*-Cu-O*（ Chem Catal. 2022 , 2 , 2253）等；针对C O ₂ 的选择性转化，探究了二维Mo S ₂ 面内/边硫空位限域Mo位点配位环境调控的C O ₂ 选择加氢机制（ Nat. Catal. 2021 , 4 , 242； Nat. Commun. 2023 , 14 , 6808； Angew. Chem. Int. Ed . 2023 , 62 , e202307086）等。

（5）工程化开发

围绕绿氢的大规模制备和氢氧气在医疗和生命健康领域的应用，基于二维催化材料，该团队通过非贵金属整体式催化剂电极的设计、优化与调控，突破现有非贵金属催化剂在碱性电解槽中电流密度低、制氢能耗高的瓶颈；实现基于非贵金属二维催化材料的高效碱性电解水技术工业应用。在此基础上，研究并拓展其它相关惰性小分子催化体系工程化放大技术。

该团队基于原创的“铠甲催化”概念，自主开发出高活性和高稳定性的铠甲催化剂整体式电极并实现产业化应用。针对氢氧气在医疗和生命健康领域的应用，成功研制出可供人体直接呼吸的基于铠甲催化剂的电解水氢氧仪，已通过符合中国GB、欧盟CE、欧盟RoHS和美国FDA的标准测试/认证，并建成年产10万台的生产线，已生产产品1.3万台。该仪器已入选《中国科学院自主研制科学仪器2021》名录。在此基础上，研发出可用于高原呼吸的高原氢氧仪，并已成功在西藏那曲市人民医院应用。相关工作被CCTV等媒体多次报道。

图7. 基于铠甲催化剂的制氢/氧设备及产业应用。

在大规模绿色氢能源制备方面，该团队成功研制出250千瓦级基于铠甲催化剂的碱性电解水制氢系统（图8左），专利许可给企业4件，实现了成果落地转化。目前，正开展单槽10兆瓦级基于铠甲催化剂的碱性电解水制氢系统研发，着力打造具备国际领先水平和核心竞争力的大规模绿氢制备系统。针对海水制氢的产业化发展需求，研究团队将电解水制氢系统与海水低温淡化技术进行耦合集成，研发出海水制氢联产淡水新技术，并建成了基于铠甲催化剂的25千瓦级装置，实现以海水为原料制备出高纯氢并联产淡水和高附加值浓海水。2023年12月，该技术通过石化联合会科技成果评价，达到国际领先水平。

图8. 250千瓦级碱性电解水制氢系统（左）；25千瓦级海水制氢联产淡水中试系统（右）。

邓德会研究员团队官方网站：

http://deng.dicp.ac.cn/

研究中心常年招收研究生和博士后，有兴趣者请发送个人简历和代表作到： E-mail: [email protected]

研究中心博士后招聘启事：

http://www.zp.dicp.ac.cn/info/1056/6554.htm

研究中心2024年大学生夏令营第一轮通知 （ 点此阅读详情 ）

科学温故QQ群—科研爱好者集中地！（不定期发布讲座通知，分享录制视频）

微信群（学术交流/电催化/光催化/理论计算 /资源共享/文献互助 群；C1化学/生物质/单原子/多孔材料分舵） ，小编微信：hao-xinghua或alicezhaovip，备注“姓名-单位”。