高哲

男， 中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所， 教授/研究員/教授級高工或同等級別

學(xué)習(xí)/工作經(jīng)歷

1. 2002/09--2006/07，天津大學(xué)，獲材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位；
2. 2006/08--2011/07，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，獲材料物理與化學(xué)專業(yè)博士學(xué)位；
3. 2011/07至今，在中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所工作，歷任助理研究員、副研究員、研究員

研究領(lǐng)域和興趣

多相催化，原子層沉積

主要業(yè)績

催化是現(xiàn)代化工、能源和環(huán)境污染處理的重要基礎(chǔ)。在原子/分子水平上理解催化反應(yīng)體系的催化作用機制，并努力服務(wù)于原子經(jīng)濟的高效催化過程，是當(dāng)今催化科學(xué)和技術(shù)發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn)。負(fù)載型多相催化劑一般由活性組分、載體和助劑等多組分構(gòu)成。各組分之間的協(xié)同作用往往主導(dǎo)了催化性能。另外，催化過程中反應(yīng)物種在各組分間遷移擴散，也影響各組分狀態(tài)和反應(yīng)性能。多組分催化劑的精準(zhǔn)構(gòu)建是多相催化研究的重點。然而，由于傳統(tǒng)方法制備的催化劑粒子均一性差，成核生長機制不明晰，各組分位置隨機，界面調(diào)控困難，結(jié)構(gòu)不明確，物種遷移擴散規(guī)律不清楚，制約了催化劑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能提升。
針對這些關(guān)鍵問題，提出了組分空間分布精準(zhǔn)調(diào)控及協(xié)同機制研究的新思路。主要學(xué)術(shù)成績?nèi)缦拢?br /> 一、 發(fā)展了利用原子層沉積精細(xì)調(diào)變粒子尺寸的方法，通過組裝原子層沉積-X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)原位裝置闡明粒子成核生長機制。
粒子尺寸的精細(xì)調(diào)變是催化劑精準(zhǔn)構(gòu)建的基礎(chǔ)。利用原子層沉積（ALD）臭氧刻蝕原位產(chǎn)生含氧官能團誘導(dǎo)沉積，實現(xiàn)了金屬Pt粒子尺寸的精細(xì)調(diào)變。多相催化中常用的鐵鈷鎳銅等金屬，都可以實現(xiàn)尺寸精細(xì)調(diào)變。
受表征手段限制，對ALD制備粒子的成核生長機制缺乏認(rèn)識。基于此，我們自主組裝了一套ALD-XAFS原位聯(lián)用裝置，利用X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)方法對ALD 沉積過程進行動態(tài)原位表征，研究粒子成核生長機制（ZL 202221443104.6）。
二、 調(diào)控組分空間分布，發(fā)展了構(gòu)筑界面的方法，實現(xiàn)了界面微結(jié)構(gòu)、微環(huán)境等的精準(zhǔn)調(diào)控，強化協(xié)同作用。
表界面(及附近區(qū)域)提供催化活性位點。界面結(jié)構(gòu)調(diào)控是提升催化性能的主要手段。然而，傳統(tǒng)方法在調(diào)控催化劑界面結(jié)構(gòu)，存在粒子落位難以控制，精準(zhǔn)性差，界面所處環(huán)境復(fù)雜等挑戰(zhàn)，難以精準(zhǔn)調(diào)控界面微結(jié)構(gòu)、微環(huán)境。
通過模板輔助ALD調(diào)控粒子落位，構(gòu)筑了限域界面位點，合成了氧化鋁納米管限域的鎳粒子，同時構(gòu)建鎳粒子位于管外壁的催化劑作為對比。其中限域催化劑的鎳粒子嵌入納米管壁中，具有更多的界面位點。對肉桂醛加氫，限域催化劑體現(xiàn)出5倍的活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 9006）。
通過精準(zhǔn)調(diào)控組分空間分布，實現(xiàn)了界面微結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控。在負(fù)載鉑催化劑表面精確修飾氧化鐵，形成了鉑-氧化鐵界面位點。30個ALD循環(huán)的氧化鐵將鉑催化劑對于肉桂醛加氫的選擇性大幅提高（Appl. Catal. B: Environ. 2017, 18, 591）。
實現(xiàn)了浸潤性微環(huán)境的調(diào)控。調(diào)控了親油性載體、親水性載體等的空間分布，構(gòu)建了雙親限域、親水限域等不同浸潤性微環(huán)境的催化劑。對于苯甲醇氧化反應(yīng)，限域雙親催化劑體現(xiàn)出高活性，這歸因于雙親微環(huán)境同時促進了雙相反應(yīng)底物雙氧水和苯甲醇的擴散傳輸（Green Chem. 2021, 23, 8116）。
三、構(gòu)建空間分離催化劑，闡明溢流/反溢流促進的協(xié)同機制，提出利用可控溢流調(diào)控活性粒子電子狀態(tài)的新策略，揭示了反應(yīng)物種遷移擴散規(guī)律。
反應(yīng)過程中物種在組分間的遷移擴散影響組分狀態(tài)和反應(yīng)性能。我們提出模板輔助ALD調(diào)控組分空間分布的新方法，構(gòu)建出結(jié)構(gòu)明確的催化劑，結(jié)合原位吸收譜表征，研究氫溢流的調(diào)控強化規(guī)律。
提出了一種有機分子脈沖修飾策略，采用類分子層沉積方法在SBA-15載體表面脈沖不同次數(shù)的氟硅烷（FAS）分子進行硅烷化修飾，有效增強了Pt/SBA-15表面的氫溢流效應(yīng)，且可以通過調(diào)控脈沖數(shù)實現(xiàn)對溢流的精準(zhǔn)調(diào)控，提升了催化加氫反應(yīng)性能。含碳物質(zhì)的存在是促進溢流效應(yīng)的重要原因（ACS Catal. 2023, 13, 4003）。
構(gòu)建了鉑氧化鈷雙組分傳統(tǒng)接觸、空間分離，以及選擇性包覆結(jié)構(gòu)。對于肉桂醛加氫反應(yīng)，鉑催化劑對于肉桂醇的選擇性較低，氧化鈷的加入提高選擇性。而空間分離催化劑，分離距離較遠(yuǎn)，以及氧化鈷選擇性包覆催化劑，仍然具有高選擇性。原位吸收譜表明Pt在反應(yīng)中處于金屬態(tài)，氧化鈷被部分還原到低價?？臻g分離的氧化鈷通過氫溢流促進氧空位生成，提高選擇性（Nature Communications 2019, 10, 4166）。
構(gòu)建了氧化鎳鉑空間分離催化劑。對于氨硼烷產(chǎn)氫反應(yīng)，鉑具有催化活性，單組分氧化鎳沒有活性，但氧化鎳的加入提高鉑催化劑的產(chǎn)氫活性。原位吸收譜表明，單組分氧化鎳在產(chǎn)氫反應(yīng)中被緩慢還原成金屬鎳，而氧化鎳鉑空間分離催化劑中的氧化鎳未被還原。氧化鎳解離氨硼烷產(chǎn)生的活性氫物種反溢流到鉑位點脫附促進產(chǎn)氫（Nature Communications 2022, 13, 118）。
提出利用可控溢流原位調(diào)控活性粒子電子狀態(tài)的新策略。構(gòu)建了氧化鈷鉑空間分離催化劑。對于苯乙烯環(huán)氧化反應(yīng)，引入可控氫溢流，大幅提高反應(yīng)選擇性，而分離距離過遠(yuǎn)，達(dá)到十四納米，則促進作用消失。原位吸收譜表明，可控氫溢流的引入使得氧化鈷在氧化反應(yīng)中處于低價，從而提高選擇性（Nature Communications 2020, 11, 4773）。

本人在限域催化、氫溢流效應(yīng)方面的研究引起了廣泛關(guān)注，應(yīng)邀撰寫了綜述性論文（Acc. Chem. Res. 2017, 50, 2309; ACS Catal., 2021, 11, 3159.）。其中氫溢流的綜述工作為高被引論文。利用氫溢流原位調(diào)控催化活性中心電子結(jié)構(gòu)、反溢流對催化產(chǎn)氫反應(yīng)促進作用的兩個研究工作被Nature Communications 期刊的編輯選為亮點文章，這是編輯挑選出在該領(lǐng)域特別有趣或者特別重要的少量論文。此外，相關(guān)工作被國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院網(wǎng)站、光明網(wǎng)等報道，引起關(guān)注。

代表成果

1. Gao Zhe*, Wang Guofu, Lei Tingyu, Lv Zhengxing, Xiong Mi, Wang Liancheng, Xing Shuangfeng, Ma Jingyuan, Jiang Zheng, Qin Yong*. Enhanced hydrogen generation by reverse spillover effects over bicomponent catalysts, Nature Communications. 13 (2022), DOI: 10.1038/s41467-021-27785-5;
2. Xiong Mi; Gao Zhe*; Zhao Peng; Wang Guofu; Yan Wenjun; Xing Shuangfeng; Wang Pengfei; Ma Jingyuan; Jiang Zheng; Liu Xingchen; Ma Jiping; Xu Jie; Qin Yong*. In situ tuning of electronic structure of catalysts using controllable hydrogen spillover for enhanced selectivity, Nature Communications, 11(2020), DOI: 10.1038/s41467-020-18567-6;
3. Zhang Jiankang; Gao Zhe*; Wang Sen; Wang Guofu; Gao Xiaofeng; Zhang Baiyan; Xing Shuangfeng; Zhao Shichao; Qin Yong*. Origin of synergistic effects in bicomponent cobalt oxide-platinum catalysts for selective hydrogenation reaction, Nature Communications, 10(2019), DOI: 10.1038/s41467-019-11970-8;
4. Gao Zhe; Qin Yong*. Design and Properties of Confined Nanocatalysts by Atomic Layer Deposition, Accounts of Chemical Research, 50(9) (2017), DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00266;
5. Gao Zhe; Dong Mei; Wang Guizhen; Sheng Pei; Wu Zhiwei; Yang Huimin; Zhang Bin; Wang Guofu; Wang Jianguo; Qin Yong*. Multiply Confined Nickel Nanocatalysts Produced by Atomic Layer Deposition for Hydrogenation Reactions, Angewandte Chemie International Edition, 54(31) (2015), DOI: 10.1002/anie.201503749;

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