瞿永泉

男， 西北工业大学， 教授/研究员/教授级高工或同等级别

学习/工作经历

1997.09-2001.07 南京大学材料科学与工程系，本科学生
2001.09-2004.07 中国科学院大连化学物理研究所，硕士研究生
2004.09-2009.01 美国加州大学戴维斯分校化学系，博士研究生
2009.2-2011.10 美国加州大学洛杉矶分校化学与生物分子工程系,博士后
2012.02-2020.12 西安交通大学前沿科学技术研究院，教授
2021.01-今 西北工业大学化学化工学院，教授

研究领域和兴趣

多相催化

主要业绩

申请人主要从事催化化学的基础研究，着重于利用催化剂表面活性位的电子结构和几何结构调控反应体系分子在催化剂表面的吸附行为与催化性能。
设计高性能的多相催化剂和开发先进催化工艺流程对化学化工行业的可持续性发展具有重要的科学意义和应用价值。提高催化反应的高活性、高选择性和高稳定性，是大幅度降低能耗并减少碳排放的有效途径。然而多相催化通常存在反应活性、稳定性及选择性难以兼顾的问题。这一定程度上是由反应体系中物种在催化剂表面无选择性的吸附所导致，诸如：含多个官能团的分子以不同的构型与活性中心相互作用降低了反应的选择性；体系中反应物、中间体和产物在催化剂表面共吸附导致选择性下降；分子与活性中心吸附过强导致催化剂毒化以及吸附过弱导致催化剂活性不足等。因此，亟需解决的关键基础科学问题是如何实现反应体系中分子在活性中心的选择性吸附(包括强弱和构型)。因此，迫切需要在原子/电子层次上精准调控催化剂表面活性中心的电子结构和几何结构，揭示催化剂表面性质与分子吸附的内在关联，实现体系中物种的选择性吸附，深刻认识催化反应机理。
针对上述关键科学问题，申请人近五年来以二氧化铈为研究对象，采取“可控调节催化剂表面性质-构筑新活性位点-调控物种在催化剂表面竞争性吸附-理论计算”的研究策略，通过催化剂表面调控构建新的活性位点并优化活性中心的电子和几何结构，强化催化剂设计理念，对一些重要的基础催化反应实现了体系中分子的选择性吸附，开辟了一些兼顾反应活性、选择性和稳定性的新反应路径。近五年来，获授权专利5项并以通讯作者身份在JACS, Angew Chem，Chem, Nat Commun，EES, ACS Catal, J. Catal.发表论文50余篇。相关催化剂的设计理念、对一些重要基础化工反应的提升奠定了研究的理论基础和提供了技术支持。主要的业绩如下：
1. 利用缺陷构筑了固态受阻路易斯酸碱对(Frustrated Lewis Pair, FLP)。FLP活性位点与小分子形成独特的嵌入式吸附构型，实现小分子高效活化。
均相催化中FLP是活化H2、CO2等小分子的有效途径。但均相FLPs具有稳定性差、难以循环使用等缺点，制约了其在大规模催化反应中的应用。因而开发全固相FLPs催化剂具有重要理论与实用价值。我们通过表面修饰工程在CeO2表面调控氧空穴，构建出含FLPs活性位的全固相催化剂。这种特殊的活性位点由两个相邻的Ce3+(Lewis酸)和与氧空位相邻的一个氧原子(Lewis碱)组成。经理论和实验证实该类固体FLP对H2以及CO2的解离活化具有优越的活性。通过调控氧空穴构筑固体FLP催化剂的理论基础明确，制备工艺简单，对开发其它固体FLP催化剂具有普适性指导意义。
2. 构筑催化剂表面双活性位点，调控体系分子在活性位的竞争性吸附，实现了氢化反应的高活性、高选择性和高稳定性。
反应物与金属催化剂之间普遍存在Sabatier原理，即相互作用太弱，反应物不能有效活化导致反应活性低；而相互作用太强，产物不易脱附导致催化剂毒化。这就导致催化的活性和选择性往往难以兼得。双活性位点策略成功调控了催化剂表面的电子与几何结构和反应物在活性位点的选择性吸附，进而实现了多相加氢催化高活性、高选择性和高稳定性的目标。该设计策略的难点和关键点是(1)反应物不在金属表面吸附，且不影响氢气吸附活化；(2)反应物在载体上选择性吸附活化。为此，我们发展了两种方案构筑双活性位点。方案一、金属的尺寸效应。即通过降低金属尺寸来削弱分子在金属表面吸附，并使其在载体上第二活性位点吸附活化。金属仅用于活化氢气。形成反应分子的竞争性吸附并构筑双活性位点。方案二、物理阻断法构筑双活性位点。通常而言H2的尺寸远小于反应物的尺寸。据此，可设计金属/多孔壳层结构来构筑双位点加氢催化剂。该方法关键在于将壳层的孔道控制于亚纳米级尺度，以保证H2的进入而物理上阻断反应物的进入。反应模型为：金属作为第一位点活化H2；壳层作为第二位点活化反应物。上述两个方案氢化均通过氢溢流实现。该策略成功打破了Sabatier原理的限制，实现了硝基、喹啉、吲哚、卤代芳香化合物加氢的高选择性、高稳定性和高活性。
3. 精确调控催化剂表界面性质，实现了分子在活性位吸附强度的优化，激发了新催化现象。
催化反应是一个反应体系中多个分子包括反应物和产物与催化剂表面动态吸附平衡的过程。CeO2表现出很多模拟酶催化的性能，但其模拟Peroxidase和Photolyase酶的催化性能几无报道。关键在于底物和CeO2之间的相互作用过弱。我们通过表面缺陷的调控提高反应物和CeO2的相互作用，实现了其高效的Peroxidase酶催化性能，并在乳腺癌早期诊断表现出独特的测量温度惰性及高活性的性能。CeO2作为首个模拟Photolyase酶的催化剂成功逆转了紫外线所带来的皮肤损伤，具有极大的应用前景。控制催化剂表面物种的吸附强度也被延伸到其他催化反应中。CeO2调控了甘油在三元催化剂Pt-CeO2/MWCNTs界面处的吸附，实现了无碱甘油氧化反应中Pt抗中毒性能和伯羟基选择性氧化的提高。该策略进一步延伸到调控电催化过程中表面活性物种的吸附强弱，大幅度提高催化的活性和稳定性。这些案例均说明调控催化剂表面物种吸附强弱的重要性。

代表成果

1. Zhang S#, Xia ZM#, Zou Y, Zhang MK and Qu Y* Spatial intimacy of binary active-sites for selective sequential hydrogenation-condensation of nitriles into secondary imines, Nature Communications, 2021, 12, 3382.
2. Li JY, Hu J*, Zhang MK, Gou WY, Zhang S, Chen Z, Qu Y* and Ma Y.*, A fundamental viewpoint on the hydrogen spillover phenomenon of electrocatalytic hydrogen evolution, Nature Communications, 2021, 12, 3502.
3. Zhang S*, Xia ZM, Zhang MK, Zou Y, Shen HD, Li JY, Chen X and Qu Y* Boosting selective hydrogenation through hydrogen spillover on supported-metal catalysts at room temperature, Applied Catalysis B: Environmental, 2021, 297, 120418.
4. Zhang S.,# Gan J.,# Xia Z.M., Zhang M.K., Chen X., Zou Y., Duan X.Z.* and Qu Y.* Dual-active-sites design of Co@C catalysts for ultrahigh selective hydrogenation of N-heteroarenes, Chem, 2020, 6, 2994-3006.
5. Tian Z.; Ma Y.; Yao T.; Zhang S.; Li X.; Xu D.; Xu Y.; Wang B.; Qu X. and Qu Y.* Photoactivity of CeO2 for repair of Ultraviolet-induced DNA damage, Nano Lett., 2019, 19, 8270-8277.
6. Zhang S.; Xia Z.M.; Zou Y.; Cao F.; Liu Y. and Qu Y.* Interfacial frustrated-Lewis-pairs of CeO2 activate CO2 for selective tandem transformation of olefins and CO2 into cyclic carbonates, Journal of the American Chemical Society, 2019, 141, 11353-11357.
7. Li J.; Liu H.; Gou W.Y.; Zhang M.; Xia Z.; Zhang S.; Chang C.*; Ma Y.* and Qu Y.* Ethylene-glycol ligand environment facilitates highly efficient hydrogen evolution of Pt/CoP through proton concentrating and hydrogen spillover. Energy & Environmental Science, 2019, 12, 2298-2304.
8. Zhang S.; Ma Y.; Zhang H.; Zhou X.; Chen X. and Qu Y.* Additive-free, robust H2 production from H2O and DMF by dehydrogenation catalyzed by Cu/Cu2O formed in situ, Angewandte Chemie International Edition, 2017, 56, 8245-8249.
9. Zhang S.; Huang Z. Q.; Ma Y.; Gao W.; Li J.; Cao F.; Li L.; Chang C.* and Qu Y.* Solid frustrated-Lewis-pair catalysts constructed by regulations on surface defects of porous nanorods of CeO2, Nature Communications, 2017, 8, 15266.
10. Zhang S.; Chang C.; Huang Z., Li J.; Wu Z.; Ma Y.; Zhang Z.; Wang Y. and Qu Y.* High catalytic activity and chemoselectivity of sub-nanometric Pd clusters on porous nanorods of CeO2 for hydrogenation of nitroarenes, Journal of the American Chemical Society, 2016, 138, 2629-2637.

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