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  • 楊永

    時間:2018-03-01瀏覽:1743設置

    楊永課題組介紹


    課題組長
    楊永,助理教授、研究員
    通訊地址:上海??坡?00號11幢401F
    電子郵件:yangyong@shanghaitech.edu.cn 
    1997年畢業于復旦大學物理系,2002年在美國佐治亞州立大學獲得物理學博士學位。畢業后先后在加州大學圣巴巴拉分校及太平洋西北國家實驗室從事博士后研究工作?;貒叭稳A盛頓大學研究員。2004-05年在加大圣巴巴拉分校期間,加入中村修二工作組,參與設計氮化鋁單晶/合金的氫化物氣相外延生長 (HVPE)反應裝置,并成功生長出最早的高質量氮化鋁晶體。2006年后加入太平洋西北國家實驗室及華盛頓大學Charles Campbell 教授工作組,開發紅外和質譜穩態反應同位素瞬態過程動力學分析裝置(steady state isotopic transient kinetic analysis SSITKA)。成功地把表面分析直接引入工業條件高壓反應,特別在甲醇合成和水煤氣反應的機理研究取得重要突破。2013年9月加入上??萍即髮W物質科學與技術學院,任助理教授。

    研究興趣

    線紅外及質譜檢測手段,研究半導體和催化材料的表面反應動力學和機理,如

    轉化催化原理(甲醇合成,二氧化碳還原,合成氣轉化等);

    氧化碳氧化;

    篩形貌結構對反應的影響。

      


    實驗室設備


    反應條件下催化原位在線表征:

    催化反應的機理研究最大的困難在于表征設備和真實反應之間的壓力鴻溝,材料鴻溝。當然,還有表征周期和工業革命之間的時間鴻溝。通過在上科大研究中獲得的多項自主專利技術,并依托平臺設備,我們對多項實驗尖端裝備進行了針對催化機理研究的深度開發。目前,已在技術上實現了質譜儀與多種儀器設備如紅外,XPS,XRD等在包括高溫高壓等較極端熱催化反應條件下的實時聯用。正在逐步將真實反應條件和催化材料與上述儀器平臺對接,并大幅度減少測量周期。經過質譜驗證對照后,整個平臺設備可以進一步協同工作,實現對同一反應過程中催化劑的原位電子結構,表面振動譜,產物成分和體相結構的實時高維度的動力學過程表征。通過這個設備平臺,可以直接快速為催化反應機理提供強有力的實驗證據。


    特色裝置一:

    多用途質譜在線反應器

    管彩茹編寫

      

    化學工業中使用催化劑的主要目的之一,就是為了緩解高溫高壓的極端反應條件。我們成功設計了一種面向催化劑真實反應條件下具有高度操作靈活性的在線表征微反應裝置,適用范圍基本覆蓋了熱催化所有常見反應參數。它能提供從液氮溫區到800oC區域的準確、快速控溫(~±20oC/min),并適用于常壓到10MPa高壓真實催化反應條件質譜在線連續實時表征。利用新裝置在靈活準確控溫的優勢以及質譜儀ppb的精度特性和毫秒級分辨率,不但可以快速準確的完成催化劑評價、篩選等活性相關系列測試,還可以將直接動態溫控擴展到低溫區,完成TPD,氣相滴定等精準定量的動力學測試功能,同時在高溫高壓條件下仍可以迅速完成阿侖尼烏斯曲線,壓力依賴性等重要表征,直接對同一樣品在原位條件下覆蓋從基元步驟到模擬工業條件的所有常用動力學表征,是常壓和高壓催化原位表征的有力工具。所以它當然也是一個“data/paper machine”。既適用于金催化一氧化碳選擇性氧化等低溫反應,也適用于甲烷氧化偶聯這樣的高溫反應,還可以用于甲醇合成,合成氨過程甚至可燃冰形成機理等較極端的壓力條件反應的過程成分表征。


    特色裝置二:


    XPS樣品原位制備高壓反應池(HPC

    周曉紅繪圖

      

      

    XPS是表征固體表面電子結構最有效的表面儀器設備。物質學院的Thermo Fisher Xi250 XPS 系統是目前靈敏度和穩定性最好的裝置之一,其研究特色在于材料生長和對催化材料經反應環境影響的原位分析。 因此這臺設備在到位時配置了可以承受10bar, 500oC(實際指標900oC)反應條件范圍的高壓原位反應池(HPC),以及可供在線制備監控用的質譜儀。為了使這些設備的功能得到充分發揮,我們針對裝置特點對高壓原位池所在的樣品中轉真空艙室進行了全面無損(即完全不改變原有結構)升級。

      

    升級內容包括:

    首先增加了8種進氣選擇,包括兩種惰性氣體(目前為氬氣和氦氣),6種反應氣體(目前為氫氣,氧氣,甲烷,二氧化碳,純銅氣路的一氧化碳和一路可選項);

    這八種氣體通過氣路控制可以為與高壓原位池提供:以上八種之一的單種純氣作為樣品制備氣氛選擇;或其中3-4種氣體以精確比例混合并按照嚴格流速控制形成的精準模擬反應環境條件。再配合與高壓原位池本身10 bar900 oC的承受條件范圍,就可以滿足多數催化環境的模擬,也可以做煅燒,預還原等多種原位預處理,還可以完成溫控動力學過程,滴定,脫附等多種較為嚴格的動力學驗證測試,可以實現把XPS原位表征和其他在線表面聯用裝置結合在一起,對同一個反應過程進行平行更高維度的表征。

    當然,我們也保留了傳統真空設備泄漏閥的低壓氣體處理功能。以上八路氣體也可以通過一個泄漏閥是樣品獲得10-8-10-1torr的低壓氣體原位處理。另外我們還由課題組成員,俄羅斯專家葉沃博士(Dr. Evgeny Vovk)設計增加了一個不需要外部氣體即可在真空中自行生成極少量強氧化劑NO2的氣源,可以在局域只對樣品氧化而完全不影響其他真空器件。

    最后我們把課題組的專利設計“消色譜效應的超高真空腔對高壓氣體采樣裝置”與高壓原位池以及XPS真空系統連接,可以對以上所有的反應過程(10-8torr-10 bar,室溫-900 oC)進行實時的產物監控。

      

    貼士:原位制備對XPS測試的重要性

    根據熱力學分子自由程理論,即使是達到標準大氣壓億分之一的真空環境,也存在著在一秒鐘內徹底污染清潔樣品表面的可能。對性質活潑的納米金屬,易潮解的氧化物以及對碳氫化合物親合性比較好的樣品,無論預處理如何精細,在把樣品移交到XPS實驗室檢測的路上,整個表面就已經徹底改換了。想要認識這些預處理過程對表面的影響也就無從談起。因此是否能具備原位處理能力對表征儀器而言,就像投胎一樣,是個很重要的技術活。全世界最頂尖的實驗室都會在這方面下足功夫。

      

    下面是全程參與安裝的周曉紅同學畫的設備圖下面是全程參與安裝的周曉紅同學畫的設備圖






    不斷更新中……




    組內活動


    蘇州一日游課題組聚餐
    蘇州一日游課題組聚餐




    組內動態


    課題組成員獲獎記錄:

      

    祝賀劉澤邦榮獲“殼牌能源研究與創新卓越獎”一等獎學金

    2017.9.11 法國凱普技術公司副總裁及中方團隊訪問課題組

    2017.9.21 浦江人才項目“Operando紅外質譜對甲醇合成轉化相關催化反應的在線機理研究按期順利結題



    代表論文


    1. Fu, Wanlin; Dai, Yunqian*; Li, Jerry; Liu, Zebang; Yang, Yong*; Sun, Yibai; Huang, Yiyang; Ma, Rongwei; Zhang, Lan; Sun, Yueming, Unusual hollow Al2O3 nanofibers with loofah-like skins: Intriguing catalyst supports for thermal stabilization of Pt nanocrystals, ACS Applied Materials & Interfaces, 2017 Accepted.

    2. Jerry Pui Ho Li, Hao Wu, Zebang Liu, 
    Yong Yang*, 
    Investigation of CO Oxidation over Au/TiO2 Catalyst through Temperature Programmed Online MS Studies, from Liquid Nitrogen Temperatures to 200°C, Catalyst Today,  2017,DOI 10.1016/j.cattod.2017.02.031.

    3. Qi Xin, Aggeliki Papavasilou; Nikos Boukos; Antonella Glisenti; Jerry Pui Ho Li; Yong Yang;Constantine J. Philippopoulos; Evangelos Poulakis; Fotis K. Katsaros; Vera Meynen; Pegie Cool, 
    Preparation of Cu/SBA-15 catalyst by the modified ammonia driven deposition precipitation method with a high thermal stability and an efficient automotive CO and hydrocarbons conversion, Applied Catalysis B:  Environmental, 2016 DOI- 10.1016/j.apcatb.2017.03.071

    4. Jerry Pui Ho Li, Zebang Liu, Xiaomian Qi , Yunqian Dai, Minghui Fan and Yong Yang*,
    Applying low temperature titration for determination of metallic sites on active oxide supported catalysts, 2017, in preparation.

    5. Hao Wu, Yong Yang*, Jerry Pui Ho Li, Zebang Liu, Yang Luo, Minghui Fan, 
    ‘反應條件下在線表征裝置的研制’核技術39, 100101-1, 2016.

    6. Y. Yang, C. A. Mims, D. Mei, C. H. F. Peden, C. T. Campbell, 
    Reactivity ofSurface Bound Formate During Low temperature Methanol Synthesis on Copper CatalystsACS Catalysis5, 7328 (2015).

    7.K. Yoon, Y. Yang, P. Lu, K. Stamm, P. T. Fanson, C.T. Campbell, Y. Xia, 
    A sinter-Resistant Catalytic System Based on Pt Nanoparticles Embedded on the Inner Surface of CeO2 Hollow Fibers, Angewandte Chemie. 51, 9543(2012) (VIP paper).

    8. Y. Yang, C. A. Mims, D. Mei, C. H. F. Peden, C. T. Campbell, The role of water in methanol synthesis from CO and CO2 on copper catalyst, J. Catal. 298, 10 (2013).

    9. Kumar, Amit; Devanathan, Ram; Shutthanandan, Vaithiyalingam; Kuchibhatla, Satyanarayana; Karakoti, Ajay; 
    Yang, Yong; Thevuthasan, S; Seal, Prof. Sudipta, Radiation-Induced Reduction of Ceria in Single and Poly Crystalline Thin, J. Phys. Chem. C., 116, 361 (2012)

    10. Y. F. Zhao,
     Y. Yang, C. Mims, C.H. F. Peden, J. Li and D. Mei. Insight into methanol synthesis from CO2 hydrogenation on Cu(111): Complex reaction network and the effects of H2O, J. Catal., 281, 199, (2011).

    11. Dai, Y.; Lim, B.; Yang, Y.; Cobley, C. M.; Cho, E. C.; Li, W.; Grayson, B.; Fanson, P. T.; Campbell, C. T. and Xia, Y. A sinter-resistant catalytic system based on Pt nanoparticles supported on TiO2 nanofibers and covered by porous silica, Angewandte Chemie International Edition, 49, 8165 (VIP article) (2010).


    12. Y. Yang, C.A. Mims, R.S. Disselkamp, Ja-Hun Kwak, C.H.F. Peden, C.T. Campbell, The (non) formation of methanol by hydrogenation of formate on copper catalysts, Journalof Physical Chemistry  114, 17205 (2010).



    在研項目


    國家自然科學基金面上項目 2015,在線紅外與質譜實控表征手段對碳一能源相關合成轉化催化機理研究”,No. 21573148,2016.01-2019.12,負責人

      

    上海市浦江人才項目 Operando紅外質譜對甲醇合成轉化相關催化反應的在線機理研究”, No. 15PJ1405800, 2015.07-2017.06,負責人

      

    Funded by Shell, ‘Frontier Science” between Shell and Chinese Academy of Science, “ Operando MS/FT-IR studies of oxidative coupling of methane (OCM)”, 2016.10-2018.9



    專利


    楊永,李國棟,李沛豪,武浩,消色譜效應的超高真空腔對高壓氣體采樣裝置’ 專利申請:201610140435.5

    楊永,全溫域快速控溫高壓微體積催化在線表征反應器’ 專利申請:201511003224.9

    楊永,李沛豪,劉澤邦,質譜儀對二十兆帕高壓內范圍實時線性采樣裝置201710094416.8

    楊永,李沛豪,劉澤邦,Evgeny Vovk,針對X射線表征設備原位池聯用的反應控制和質譜分析站 (已遞交)



    本組成員

    Evgeny Vovk 研究助理教授

    XPS,in situ characterization

     Boreskov Institute of Catalysis Russia

    郵箱:evovk@shanghaitech.edu.cn

    Jerry Pui Ho Li Postdoc

    MS, in situ characterization

     University of Newcastle chemical engineering

    郵箱:liph@shanghaitech.edu.cn

    劉澤邦 博士研究生

    Materials

     江南大學 應用化學

    郵箱:liuzb@shanghaitech.edu.cn

    管彩茹 碩士研究生

    Physical chemistry

     上海師范大學 應用化學

    郵箱:guancr@shanghaitech.edu.cn

    魏百銀 碩士研究生

    Chemical engineering

     青島科技大學 化學工程與工藝專業

    郵箱:790045041@qq.com

    周曉紅 碩士研究生

    Condensed matter physics

     安徽大學 材料物理

    郵箱:zhouxh1@shanghaitech.edu.cn

    范明慧 Postdoc(2014-2016年在站)

    Chemical Physics

     中國科學技術大學化學物理系

    郵箱:sunnyfan@ustc.edu.cn

    武浩 碩士(2017年獲得學位)

    Chemical engineering

     中國礦業大學 材料成型及控制專業

    郵箱:wuhao@shanghaitech.edu.cn

    龐曜琦 本科生

    化學

     上??萍即髮W

    郵箱:pangyq@shanghaitech.edu.cn

    裘哲豪 本科生

    材料科學

     上??萍即髮W

    郵箱:qiuzhh @shanghaitech.edu.cn

    朱靚 本科生

    材料科學

     上??萍即髮W

    郵箱:zhuliang@shanghaitech.edu.cn


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