高哲

男， 中国科学院山西煤炭化学研究所， 教授/研究员/教授级高工或同等级别

学习/工作经历

1. 2002/09--2006/07，天津大学，获材料科学与工程专业学士学位；
2. 2006/08--2011/07，中国科学院上海硅酸盐研究所，获材料物理与化学专业博士学位；
3. 2011/07至今，在中国科学院山西煤炭化学研究所工作，历任助理研究员、副研究员、研究员

研究领域和兴趣

多相催化，原子层沉积

主要业绩

催化是现代化工、能源和环境污染处理的重要基础。在原子/分子水平上理解催化反应体系的催化作用机制，并努力服务于原子经济的高效催化过程，是当今催化科学和技术发展面临的重要挑战。负载型多相催化剂一般由活性组分、载体和助剂等多组分构成。各组分之间的协同作用往往主导了催化性能。另外，催化过程中反应物种在各组分间迁移扩散，也影响各组分状态和反应性能。多组分催化剂的精准构建是多相催化研究的重点。然而，由于传统方法制备的催化剂粒子均一性差，成核生长机制不明晰，各组分位置随机，界面调控困难，结构不明确，物种迁移扩散规律不清楚，制约了催化剂的结构优化与性能提升。
针对这些关键问题，提出了组分空间分布精准调控及协同机制研究的新思路。主要学术成绩如下：
一、 发展了利用原子层沉积精细调变粒子尺寸的方法，通过组装原子层沉积-X射线吸收精细结构原位装置阐明粒子成核生长机制。
粒子尺寸的精细调变是催化剂精准构建的基础。利用原子层沉积（ALD）臭氧刻蚀原位产生含氧官能团诱导沉积，实现了金属Pt粒子尺寸的精细调变。多相催化中常用的铁钴镍铜等金属，都可以实现尺寸精细调变。
受表征手段限制，对ALD制备粒子的成核生长机制缺乏认识。基于此，我们自主组装了一套ALD-XAFS原位联用装置，利用X射线吸收精细结构方法对ALD 沉积过程进行动态原位表征，研究粒子成核生长机制（ZL 202221443104.6）。
二、 调控组分空间分布，发展了构筑界面的方法，实现了界面微结构、微环境等的精准调控，强化协同作用。
表界面(及附近区域)提供催化活性位点。界面结构调控是提升催化性能的主要手段。然而，传统方法在调控催化剂界面结构，存在粒子落位难以控制，精准性差，界面所处环境复杂等挑战，难以精准调控界面微结构、微环境。
通过模板辅助ALD调控粒子落位，构筑了限域界面位点，合成了氧化铝纳米管限域的镍粒子，同时构建镍粒子位于管外壁的催化剂作为对比。其中限域催化剂的镍粒子嵌入纳米管壁中，具有更多的界面位点。对肉桂醛加氢，限域催化剂体现出5倍的活性和优异的稳定性（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 9006）。
通过精准调控组分空间分布，实现了界面微结构的精准调控。在负载铂催化剂表面精确修饰氧化铁，形成了铂-氧化铁界面位点。30个ALD循环的氧化铁将铂催化剂对于肉桂醛加氢的选择性大幅提高（Appl. Catal. B: Environ. 2017, 18, 591）。
实现了浸润性微环境的调控。调控了亲油性载体、亲水性载体等的空间分布，构建了双亲限域、亲水限域等不同浸润性微环境的催化剂。对于苯甲醇氧化反应，限域双亲催化剂体现出高活性，这归因于双亲微环境同时促进了双相反应底物双氧水和苯甲醇的扩散传输（Green Chem. 2021, 23, 8116）。
三、构建空间分离催化剂，阐明溢流/反溢流促进的协同机制，提出利用可控溢流调控活性粒子电子状态的新策略，揭示了反应物种迁移扩散规律。
反应过程中物种在组分间的迁移扩散影响组分状态和反应性能。我们提出模板辅助ALD调控组分空间分布的新方法，构建出结构明确的催化剂，结合原位吸收谱表征，研究氢溢流的调控强化规律。
提出了一种有机分子脉冲修饰策略，采用类分子层沉积方法在SBA-15载体表面脉冲不同次数的氟硅烷（FAS）分子进行硅烷化修饰，有效增强了Pt/SBA-15表面的氢溢流效应，且可以通过调控脉冲数实现对溢流的精准调控，提升了催化加氢反应性能。含碳物质的存在是促进溢流效应的重要原因（ACS Catal. 2023, 13, 4003）。
构建了铂氧化钴双组分传统接触、空间分离，以及选择性包覆结构。对于肉桂醛加氢反应，铂催化剂对于肉桂醇的选择性较低，氧化钴的加入提高选择性。而空间分离催化剂，分离距离较远，以及氧化钴选择性包覆催化剂，仍然具有高选择性。原位吸收谱表明Pt在反应中处于金属态，氧化钴被部分还原到低价。空间分离的氧化钴通过氢溢流促进氧空位生成，提高选择性（Nature Communications 2019, 10, 4166）。
构建了氧化镍铂空间分离催化剂。对于氨硼烷产氢反应，铂具有催化活性，单组分氧化镍没有活性，但氧化镍的加入提高铂催化剂的产氢活性。原位吸收谱表明，单组分氧化镍在产氢反应中被缓慢还原成金属镍，而氧化镍铂空间分离催化剂中的氧化镍未被还原。氧化镍解离氨硼烷产生的活性氢物种反溢流到铂位点脱附促进产氢（Nature Communications 2022, 13, 118）。
提出利用可控溢流原位调控活性粒子电子状态的新策略。构建了氧化钴铂空间分离催化剂。对于苯乙烯环氧化反应，引入可控氢溢流，大幅提高反应选择性，而分离距离过远，达到十四纳米，则促进作用消失。原位吸收谱表明，可控氢溢流的引入使得氧化钴在氧化反应中处于低价，从而提高选择性（Nature Communications 2020, 11, 4773）。

本人在限域催化、氢溢流效应方面的研究引起了广泛关注，应邀撰写了综述性论文（Acc. Chem. Res. 2017, 50, 2309; ACS Catal., 2021, 11, 3159.）。其中氢溢流的综述工作为高被引论文。利用氢溢流原位调控催化活性中心电子结构、反溢流对催化产氢反应促进作用的两个研究工作被Nature Communications 期刊的编辑选为亮点文章，这是编辑挑选出在该领域特别有趣或者特别重要的少量论文。此外，相关工作被国家自然科学基金委员会、中国科学院网站、光明网等报道，引起关注。

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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