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催化领域巨擘——张涛院士

时间:2024-02-11

张涛院士是中国科学院化学所青年研究员、博士生导师。他主要从事催化科学与技术研究,成果丰硕,被誉为催化界的大牛。在催化领域取得了一系列重要进展,尤其在纳米催化材料与新型...

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张涛院士是中国科学院化学所青年研究员、博士生导师。他主要从事催化科学与技术研究,成果丰硕,被誉为“催化界的大牛”。在催化领域取得了一系列重要进展,尤其在纳米催化材料与新型催化反应机理研究方面颇具建树。他在催化剂设计与应用、催化反应过程表征与机理等方面做出了突出贡献,提出了许多新理论、新方法,推动了中国催化科学的发展。此外,他还积极参与科普宣传,深受学生和青年科研人员喜爱。张涛院士以其在催化领域的杰出成就和孜孜不倦的科研精神,为中国科学界树立了崭新的典范。

专家简介

张涛,男,汉族,1963年生于陕西省。*********员,理学博士,研究员,博士生导师。2月至3月,任中国科学院大连化学物理研究所所长。第十二届全国人民代表大会代表。当选为中国科学院院士。

长期从事工业催化的研究,负责研制的新型催化剂应用于我国航天、航空、石油化工领域,三次获国家技术发明二等奖。近期主要从事航天无毒推进剂催化分解技术、环保催化及催化新材料等方面的研究。

Part1 当选加拿大工程院院士!

今年6月,加拿大工程院公布新增院士名单,共有52位杰出学者当选。其中华人学者有16名,中国科学院院士张涛身在其中。加拿大工程院院士成立于1987年,是加拿大联邦******授予在工程领域代表加拿大国家水平专家、教授的荣誉称号,并作为国家智囊团为国家层面课题立项、评审和研究提供权威意见。加拿大工程院现有院士600余名。

Part2 友人记忆中的张涛院士

据张涛院士的友人回忆,张涛院士从小就眉目清秀,长得很帅,活泼可爱,非常聪明。小学四年级时,张涛的语、数作业都非常的工整、正确,老师几乎每天都要将他的作业在班上展示,号召全班同学向他学习、看齐。并且,每次考试他的语文、数学成绩都是满分!

1982年7月,张涛院士在陕西理工大学操场,与友人的合影(图左:张涛院士)

安康中学是张涛读了一年高中的母校。张涛院士对母校安康中学满怀深情,多次返回母校访问、讲学,给母校学子作专题讲座,激励他们勤奋学习,立志成才。

1978年,张涛收到汉中师范学院(现为陕西理工大学)的录取通知书。他是从安康中学高一考上的,当时他才15岁。录入化学系。在大学期间,张涛的学习非常用功,学习成绩很好,这为他以后的科研工作打下了坚实的基础。大多数的情况下他都是在教室学习。另外,他还是学校乐队的成员,他的小提琴拉得很好,在学校文艺晚会上演出过。

1982年夏天,张涛从陕西理工大学毕业,被分到母校安康中学教学,教了一年化学课后,他考上了中国科学院大连化学物理研究所研究生,开始了他的读硕生活。1983年春节,他又开始了勤奋的复习考研。

Part3 张涛团队部分研究成果

◆单原子催化

1.高温稳定的高载量单原子催化剂|Nature Commun.

中科院大连化物所乔波涛研究员和张涛院士团队在单原子催化方面取得新进展:利用金属-载体共价强相互作用成功制备出耐高温的高载量铂单原子催化剂。该团队在长期探索单原子催化剂的制备和稳定机制的基础上,发现以共沉淀法制备的Pt1/FeOx单原子催化剂在800℃高温焙烧后依然完全保持原子级分散,证明金属与载体之间的强相互作用使单原子催化剂具有优异的热稳定性。

2.原子级分散Ni甲烷干气重整抗结焦催化剂|Nat Commun.

中国科学院大连化学物理研究所的张涛院士和乔波涛研究员等设计制备了一种通过Ce掺杂羟基磷灰石(HAP)导致的强金属-载体相互作用,使Ni单原子保持稳定,而且有利于甲烷中第一个C-H键的选择性活化从而避免了积碳的产生,具有高活性和稳定性DRM。Ni原子分散在HAP上,在DRM过程中对积碳有很强的抵抗能力,因为它们具有只激活CH4中的第一个碳氢键的独特性质,从而避免了甲烷深度分解成积碳,但在烧结过程中容易失活。镍单原子催化剂的优异性能和稳定性为工业干式甲烷重整提供了一条低成本的途径。更重要的是,这一发现为抗积碳DRM催化剂的开发提供了一条新的途径。

3.揭示Pt1/Fe2O3单原子催化剂中Pt的配位结构与催化活性的关系|Nat. Commun.

大连化物所张涛院士、王爱琴研究员和清华大学李隽教授等开发了一种有效的合成方法来调控单原子的配位结构。具体而言,作者通过使用乙二胺螯合Pt阳离子,然后通过在惰性气氛中快速加热处理(RTT)的方法去除乙二胺,成功实现通过调节RTT的温度对Fe2O3载体上的Pt单原子配位结构进行微调。研究结果表明,随着Pt-O配位数的降低,Pt的氧化态降低,进而实现创纪录的加氢活性,同时保持高的化学选择性。

◆生物质催化转化

4.纤维素向高密度航空燃料的转化|Joule

大连化学物理研究所李宁研究员、张涛院士等人在长期从事生物质转化研究基础上,首次报道了将纤维素两步法转化为高密度液体燃料。首先,采用氢解反应高选择性地将纤维素转化为2,5-己二酮,并通过反应分离的方法,最终获得71.4%的2,5-己二酮分离碳收率;随后,采用一个双床层催化系统通过羟醛缩合-加氢-加氢脱氧反应,将2,5-己二酮转化为具有支链结构的C12和C18的多环烷烃燃料,碳收率为74.6%。该过程获得的多环烷烃具有高密度(0.88g/mL)和低冰点(225K)的特性。在实际应用中,该产物可作为高密度先进航空燃料单独使用;亦可以作为燃料添加剂,提高航空煤油的体积热值。

5.木质纤维素平台化合物制备可再生JP-10燃料|Angew.

中科院大连化物所催化与新材料研究中心李宁研究员、张涛院士团队,开发了两条通过木质纤维素平台化合物——糠醇制备可再生JP-10高密度燃料的新路线。可获得大约65%的收率(以碳计算)。经过初步的经济分析,该生物质路线获得的bio-JP-10的成本低于5600美元/吨。根据国外文献报道,未来糠醇的价格有望降至400美元/吨左右,届时JP-10的成本将可降低至2900美元/吨以下,有望实现生物质JP-10的实际应用。

6.多功能Mo/Pt/WOx催化剂一锅法串联催化生产纤维素乙醇|Joule

中科院大连化物所的张涛和王爱琴团队一直致力于生物质中C-C键和C-O键选择性断裂制备重要小分子醇的研究。该团队首创了纤维素氢解制乙二醇的催化转化反应,发现了含钨(W)化合物在催化纤维素C-C键选择性断裂反应中的独特作用,并提出了纤维素可以经由先氧化酯化、再加氢还原制备乙醇的二步法。在此基础上,他们结合甘油氢解制1,3-丙二醇的催化剂研究,提出了一种新的Mo/Pt/WOx多功能催化剂,将纤维素氢解制乙二醇和乙二醇氢解制乙醇巧妙地耦合起来,实现了纤维素直接氢解制乙醇的过程,乙醇碳收率达到43.2%。同时该催化剂还表现出了优异的稳定性和抗CO中毒性能,使其在未来的实际应用中具有较大的潜力。

◆其他催化领域

7.碳载Co/Mn双金属氧化物复合催化剂,用于锌空气电池|Nano Energy

东华大学乔锦丽教授,河南师范大学张岩星副教授,山西大学范修军教授,中科院上海硅酸盐研究所张涛研究员以及美国路易斯安那大学拉法叶分校周晓东教授等团队合作,通过构建碳载Co/Mn双金属氧化物复合催化剂,利用Co原子掺杂调控Mn原子的电子结构,有效激活了Mn1/Mn2的本征氧催化活性。研究发现,Co3O4具有独特的多孔结构,均匀分布在MnO2表面,不仅成功激活了Mn原子的双功能活性,而且Co3O4与CNTs载体可以形成独特的电子传输网络,大大提高了阴极催化剂的ORR与OER性能。利用该复合催化剂组装锌空气电池可以大幅度提高电池的能量密度、功率密度以及充放电循环稳定性,经测试分别可达534mW/cm2、1439mW/cm2和810cycles,有利于推动锌空气电池的商业化开发和应用,同时为Mn基催化剂催化活性的提升提供了一种新的方法。

8.Ir/H-Beta催化剂一锅法将赖氨酸转化为己内酰胺|Green Chemistry

中国科学院大连化学物理研究所郑明远研究员和张涛院士等人利用双功能金属负载催化剂上的氢化反应将L-赖氨酸一锅转化为CPL。在各种加氢金属和不同载体中,Ir与HB分子筛的组合性能最好。在最优条件下,2Ir/HB-124催化剂在250℃高压釜或固定床反应器中,L-赖氨酸的CPL产率为30%,反应中间体α-二甲基氨基己内酰胺(DMAC)的产率为58%。而且反应溶剂对反应的选择性影响显着,甲醇被发现是最好的溶剂,这是因为它可以促进形成α-二甲基氨基己内酰胺以及C-N(CH3)2中C-N键的破坏。催化剂的酸性位点可以加速内酰胺的形成,酸性位点和氢化位点之间的协同作用有利于C-N键氢解生成CPL。HB分子筛的大孔径可以容纳较大的反应中间分子,确保了Ir/HB的高催化性能。该工作确定了首先L-赖氨酸经过环化和N-甲基化反应生成DMAC,然后C-N(CH3)2键氢化反应生成CPL的反应路线。Ir/HB催化剂具有较好的稳定性和较高的选择性,这使得这种一锅转化法成为一种可以从可再生原料中生产CPL的新方法。

◆综述

9.负载型金属催化剂上的选择性加氢:从纳米粒子到单原子|Chem. Rev.

中科院大连化物所张涛、王爱琴等对这些方法进行了总结,包括在金属表面吸附/接枝含N/S的有机分子;通过掺杂或强金属-载体相互作用用金属氧化物部分覆盖活性金属表面;将活性金属纳米颗粒限域在微孔或中孔载体;生成具有相对惰性的金属(IB和IIB)或非金属元素(B,C,S等)的双金属合金或金属间化合物或核壳结构;以及在可还原氧化物或惰性金属上构建单原子催化剂。作者讨论了每种隔离方法对炔烃/二烯生成单烯,α,β-不饱和醛/酮生成不饱和醇,以及硝基芳烃生成相应的苯胺这三种类型的化学选择性加氢反应的优点和缺点。

10.单原子催化剂高效催化转化二氧化碳|Acc. Chem. Res.

中科院大连化物所的黄延强研究员和张涛院士、新加坡南洋理工大学刘彬教授等人总结了单原子催化剂用于二氧化碳催化转化领域的研究进展。该团队长期致力于二氧化碳的热、电催化转化研究,他们首先举例说明了他们最近在单原子催化剂催化CO2转化方向的研究。在单原子催化中,载体的选择对其稳定性、活性和选择性都有重要影响。从不同反应环境下SACs载体设计的角度,重点讨论了三种不同的SAC结构策略——晶格匹配的氧化物载体、杂原子掺杂的碳锚定和模拟配体螯合。单原子催化剂结构的特殊性为二氧化碳的活化和定向转化研究提供了一种理想模型。该团队利用IrO2与金红石型TiO2晶型相同、晶格匹配高的特性,制备出具有高热稳定性的Ir1/TiO2单原子催化剂,并实现CO2高选择性转化制CO;与新加坡南洋理工大学合作,开发出一种氮掺杂石墨烯锚定的Ni单原子催化剂,利用Ni单原子最外层3d未成对电子易于离域化的特点,形成带负电的Ni-CO2δ-结构,实现了高效电化学还原CO2制CO;模拟均相催化剂对CO2分子的低温高效转化机制,研制出含吡啶-酰胺基团的多孔有机聚合物载体负载的单原子Ir催化剂,成功实现CO2的“准均相”活化与催化应用。

11.负载型贵金属单原子催化剂用于多相催化的研究进展|AM

中科院大连化物所的黄延强研究员和张涛院士、新加坡南洋理工大学刘彬教授讨论了贵金属基的SACs,首先介绍了它们的结构特性、化学合成和催化应用,然后重点讨论了其构效关系和潜在的催化机制,包括表面物种和载体还原性对活性和稳定性的影响,受金属/载体相互作用调节的单原子中心独特的结构和电子性质对催化活性和选择性的影响,以及通过抑制多原子而得到的改性催化机理如何涉及催化路径。最后,他们展望了这一领域的发展前景,并分析了面临的挑战。

除此之外,张涛院士课题组在环保催化/生物质催化转化等方面还发表了一系列重要成果。

上面,简要总结了张涛院士课题组部分研究成果,供大家交流学习。由于学术有限,所选文章及其表述如有不当,敬请批评指正。

参考文章:

化学加网.中科院大连化物所张涛院士新任Green Chemistry 编委

催化计.张涛院士课题组研究成果集锦

美篇.我和张涛院士的故事

注:图片来源于网络,存在侵权告知删除!

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网友评论
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显示评论内容(2)
  1. 心田笛泣2024-02-11 21:44心田笛泣[四川省网友]203.24.199.224
    作为一个追求科学进步的人,我对张涛院士在催化领域的杰出贡献表示敬意,期待他的研究能够为社会带来更多进步和发展。
    顶48踩0
  2. 陌上凡尘2024-02-11 21:25陌上凡尘[内蒙古网友]203.11.126.78
    张涛院士在催化领域的成就真是令人钦佩,他的工作为行业发展做出了巨大贡献。
    顶0踩0
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