创新达人张志成勇攀贵金属催化剂的科研

贵金属催化剂应用历史悠久，19世纪末，英国以贵金属铂（Pt）为催化剂生产硫酸，率先实现了贵金属催化剂的工业化应用。此后，贵金属催化剂的工业化应用层出不穷，大量的贵金属催化剂被开发并广泛应用于各个领域。随着人们对燃料和各类化工产品的需求日益增加，发展具有高原子利用率的新型高效贵金属催化剂也迫在眉睫。来自天津大学的张志成教授一直致力于贵金属催化剂的研究，助力科技发展，勇攀科研高峰。

创新方法，贵在坚持

无论是在清华大学还是在新加坡南洋理工大学从事博士后研究时，张志成总是对科研工作充满热情和信念，致力于在科研中取得骄人成绩，力争站在科研高峰，体会“一览众山小”的感觉。多年的科研经验让张志成有所感悟：真正想做到在科研上有一定成就，就要脚踏实地进行科研创新，尤其是他所从事的贵金属催化剂研究领域。当发展具有高原子利用率的贵金属催化剂成为大势所趋，张志成认为采用新方法、新体系、新策略是精准合成新型高效的贵金属纳米催化剂的关键。为此，他长期从事贵金属基纳米材料的精准合成与催化应用研究工作，致力于在原子和分子尺度下精准控制贵金属基纳米材料的结构，有效提升贵金属的原子利用率及在催化反应中的本征活性。在张志成的科研中，他围绕贵金属原子高效利用问题，发展了一系列原子精度调控策略，实现了原子级超薄贵金属材料的可控合成。

张志成介绍：“二维超薄纳米结构因其特殊的维度限制和暴露丰富的成键不饱和原子等优点，可以有效地提高贵金属的原子利用率。然而，其原子精度下的可控合成具有极大的挑战。”针对这一问题，他发展了液相晶种调控法，利用欠电位沉积原理，精确控制成核和生长过程，在Pd纳米片上沉积原子级分散的Ru。张志成介绍：“这种新型的双金属纳米片含有丰富的孪晶和位错等结构缺陷，能够暴露Pd和Ru两种金属的活性位点，同时亚单层Ru原子的沉积还能改变Pd的电子结构。在4-硝基苯酚还原和1-辛炔选择加氢反应中，这种独特的Pd-Ru复合纳米片比单金属Pd和Ru两种超薄纳米片展现更加优异的催化性能。”

同时，为了实现高活性贵金属原子在纳米材料表面超薄层的可控沉积，他还开发了简易高效的一锅溶剂热法，巧妙利用晶面选择性生长和位点选择性沉积原理，合成表面超薄层富集高活性Pt原子的Pt-Ni合金纳米多级结构。该结构不但可以有效提高贵金属Pt的原子利用率，而且呈现新型面心立方/密排六方的异质相结构，在碱性条件下的电催化析氢反应中显示突出的催化活性。为了提高表面贵金属原子的本征活性，他还开发了一步生长法及原位选择性刻蚀法等以得到富含台阶原子或扭结原子的高指数晶面，从而有效提高贵金属催化剂的本征活性。

张志成所开发的一系列合成策略，让贵金属的催化性能得到大幅提升，有望为实际工业催化剂设计和开发提供有力的技术和理论支撑。另外，针对贵金属催化剂的活性与稳定性的两难问题，他还设计了多孔框架或网络结构，有效促进贵金属活性位点的暴露及催化稳定性。在实验过程中，科研悟性和学科交叉显得尤其重要，张志成结合自己的专业背景和科研经历，在双金属的合成体系中通过引入与金属离子配位的氨基酸，并改变不同金属离子的还原顺序，巧妙利用置换取代和位点选择性沉积原理，合成得到五重孪晶Pt-Cu合金纳米框架结构。

这种新颖的孪晶框架结构可作为双功能催化剂，在电催化氧还原和甲醇氧化反应中均表现出优异的活性和稳定性。此外，他还通过调节甘氨酸的浓度进而调控反应体系的还原动力学，设计得到一系列单晶或多晶Pt-Cu合金纳米框架结构，均在电催化甲醇氧化反应中表现出优异的电催化活性和稳定性。此外，他进一步发展了液相晶种外延生长和电化学选择性刻蚀方法，合成得到新型的Ru多孔纳米笼包裹的PtCuPd超薄纳米片复合结构，从而有效防止超薄纳米片之间的团聚和堆叠等问题，因此在电催化甲醇氧化反应中显示出非常优异的活性和稳定性。

为了更有效地解决贵金属基纳米材料在催化反应中的团聚等问题，张志成还开发了具有普适性的溶剂热方法，利用良溶剂和不良溶剂的组合，并选用聚乙烯吡咯烷酮作为配体，能够将不同形貌和尺寸的贵金属基纳米材料封装在多孔的金属有机骨架（MOF）纳米中空结构里，制备得到一系列新颖的贵金属/MOF蛋黄-蛋壳纳米复合结构，从而有效提高贵金属纳米材料在邻氯硝基苯的选择加氢还原反应中的活性和稳定性。张志成做到了他所坚持的科研初衷——“科研难题总是环环相扣的，我们需要不断总结经验、创新方法，以更好地解决实际面临的难题”。

学无止境，为追逐的梦想出发

中国贵金属催化剂生产企业起步较晚，年之前，国内贵金属催化剂基本依靠进口。目前中高端市场被国外贵金属催化剂生产企业占据，国内贵金属催化剂行业发展仍处于成长期。根据绿色可持续发展的理念，采用新方法、新技术、新策略精准合成新型高效的贵金属基纳米催化剂一直是纳米催化领域研究的热点和难点。

目前，张志成任职于天津大学，依靠这所百年名校宽广的科研平台，切合《国家自然科学基金“十三五”发展规划》中化学科学部优先发展“化学精准合成”“高效催化过程及其动态表征”等领域的要求，继续致力于新型高效贵金属基催化剂的研究。他围绕碳基能源小分子转化过程中的活性和选择性等问题，例如CO2转化为高碳醇或烯烃、CH4选择性氧化为甲醇等，基于多年的金属纳米材料研究经验，着重发展新的合成方法和策略，结合催化表界面表征和理论模拟等手段，致力于从原子尺度上精准合成结构可控的贵金属基催化剂，并且研究催化剂的微观结构与催化性能之间的构效关系及作用机理等，在未来的创新之路上逐一击破科研难题，勇往直前地走下去。

撰稿：徐飞

（转自《中国高新科技》杂志年第13期