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氮化镓（GaN）作为第三代半导体材料的典型代表，拥有许多硅材料所不具备的优异性能，是适应高频、高压、高温和大功率应用的半导体材料。在催化领域GaN也具有应用潜力。近期，国内外多个课题组在GaN催化方面的探索研究取得了进展，实验证明GaN在低碳烷烃无氧芳构化、烷烃脱氢等化学反应中表现出催化活性，有望成为一种可替代贵金属的低成本催化剂。然而，高品质GaN催化剂的合成难题限制了该材料在催化领域的应用。比表面积小、可控性差是造成现有GaN催化剂转化率低的主要原因，有限的合成方法及苛刻的制备条件也使其发展面临巨大的阻碍。 近日，西安近代化学研究所冯昊课题组借助自主研发的FH-2-HT高温原子层沉积（ALD）系统，以介孔氧化硅分子筛MCM-41为载体，首次通过热ALD技术在高比表面积载体上成功制备出高分散、结构可控的GaN/MCM-41催化剂。该催化剂在丙烷无氧脱氢反应中表现出优秀的催化性能（图1）。
图1、GaN/MCM-41催化剂的ALD合成及其在丙烷脱氢反应中的催化性能 本研究工作中，该团队在400 ~ 500℃下通过周期性控制反应前驱体三甲基镓和氨在分子筛表面发生自限制性化学吸附，通过交替的表面反应合成了高度分散的GaN物种，并通过改变沉积周期数实现了催化剂负载量及结构的精确控制。不同的沉积工艺可分别制备出无定形及结晶态的GaN纳米颗粒。例如，提高沉积温度（≥500℃）、增加沉积循环周期数（≥3周期）可获得纳米尺度的结晶态GaN。 在丙烷无氧脱氢反应中，ALD GaN/MCM-41催化剂显示出优秀的催化活性与选择性（550 ℃下丙烷转化率20-25%，丙烯选择性74-85%）。值得注意的是，低温下制备的无定形GaN相较结晶态GaN拥有更好的催化性能。反应机理分析表明，GaN物种对C-H键的活化具有催化作用。根据密度泛函理论（DFT）计算，MCM-41载体有助于反应物的吸附，在无定形GaN/MCM-41催化剂中，活性位点的高效利用以及载体的辅助作用均有助于提高催化活性。本工作对于负载型GaN催化剂的设计具有一定指导意义。ALD技术条件相对温和、工序简便、可实现规模化生产，为氮化镓催化剂的制备和应用提供了新的思路和方法。 论文信息 Mesoporous Silica Supported Highly Dispersed GaN Catalysts Synthesized by Thermal Atomic Layer Deposition for Propane Dehydrogenation Wangle Zhang, Jianguo Li, Longfei Hui, Ting Gong, Lijun Qin, Prof. Jian Lu, Prof. Hao Feng ChemCatChem
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