杨永课题组介绍

  课题组长  
杨永,助理教授、研究员
通讯地址:上海海科路100号11幢401F
电子邮件:yangyong@shanghaitech.edu.cn
1997年毕业于复旦大学物理系,2002年在美国佐治亚州立大学获得物理学博士学位。毕业后先后在加州大学圣巴巴拉分校及太平洋西北国家实验室从事博士后研究工作。回国前任华盛顿大学研究员。2004-05年在加大圣巴巴拉分校期间,加入中村修二工作组,参与设计氮化铝单晶/合金的氢化物气相外延生长 (HVPE)反应装置,并成功生长出最早的高质量氮化铝晶体。2006年后加入太平洋西北国家实验室及华盛顿大学Charles Campbell 教授工作组,开发红外和质谱稳态反应同位素瞬态过程动力学分析装置(steady state isotopic transient kinetic analysis SSITKA)。成功地把表面分析直接引入工业条件高压反应,特别在甲醇合成和水煤气反应的机理研究取得重要突破。2013年9月加入上海科技大学物质科学与技术学院,任助理教授。
  研究兴趣  

研究兴趣主要集中于利用在线红外及质谱检测手段,研究半导体和催化材料的表面反应动力学和机理,如

·    碳一能源转化催化原理(甲醇合成,二氧化碳还原,合成气转化等);

·    一氧化碳氧化;

·    多孔材料如分子筛形貌结构对反应的影响。

  实验室设备  

反应条件下催化原位在线表征:

催化反应的机理研究最大的困难在于表征设备和真实反应之间的压力鸿沟,材料鸿沟。当然,还有表征周期和工业革命之间的时间鸿沟。通过在上科大研究中获得的多项自主专利技术,并依托平台设备,我们对多项实验尖端装备进行了针对催化机理研究的深度开发。目前,已在技术上实现了质谱仪与多种仪器设备如红外,XPS,XRD等在包括高温高压等较极端热催化反应条件下的实时联用。正在逐步将真实反应条件和催化材料与上述仪器平台对接,并大幅度减少测量周期。经过质谱验证对照后,整个平台设备可以进一步协同工作,实现对同一反应过程中催化剂的原位电子结构,表面振动谱,产物成分和体相结构的实时高维度的动力学过程表征。通过这个设备平台,可以直接快速为催化反应机理提供强有力的实验证据。




特色装置一:

多用途质谱在线反应器

管彩茹编写


化学工业中使用催化剂的主要目的之一,就是为了缓解高温高压的极端反应条件。我们成功设计了一种面向催化剂真实反应条件下具有高度操作灵活性的在线表征微反应装置,适用范围基本覆盖了热催化所有常见反应参数。它能提供从液氮温区到800ºC区域的准确、快速控温(~±20ºC/min),并适用于常压到10MPa高压真实催化反应条件质谱在线连续实时表征。利用新装置在灵活准确控温的优势以及质谱仪ppb的精度特性和毫秒级分辨率,不但可以快速准确的完成催化剂评价、筛选等活性相关系列测试,还可以将直接动态温控扩展到低温区,完成TPD,气相滴定等精准定量的动力学测试功能,同时在高温高压条件下仍可以迅速完成阿仑尼乌斯曲线,压力依赖性等重要表征,直接对同一样品在原位条件下覆盖从基元步骤到模拟工业条件的所有常用动力学表征,是常压和高压催化原位表征的有力工具。所以它当然也是一个“data/paper machine”。既适用于金催化一氧化碳选择性氧化等低温反应,也适用于甲烷氧化偶联这样的高温反应,还可以用于甲醇合成,合成氨过程甚至可燃冰形成机理等较极端的压力条件反应的过程成分表征。




特色装置二:

XPS样品原位制备高压反应池(HPC

周晓红绘图



XPS是表征固体表面电子结构最有效的表面仪器设备。物质学院的Thermo Fisher Xi250 XPS 系统是目前灵敏度和稳定性最好的装置之一,其研究特色在于材料生长和对催化材料经反应环境影响的原位分析。 因此这台设备在到位时配置了可以承受10bar, 500ºC(实际指标900 ºC)反应条件范围的高压原位反应池(HPC),以及可供在线制备监控用的质谱仪。为了使这些设备的功能得到充分发挥,我们针对装置特点对高压原位池所在的样品中转真空舱室进行了全面无损(即完全不改变原有结构)升级。


升级内容包括:

首先增加了8种进气选择,包括两种惰性气体(目前为氩气和氦气),6种反应气体(目前为氢气,氧气,甲烷,二氧化碳,纯铜气路的一氧化碳和一路可选项);

这八种气体通过气路控制可以为与高压原位池提供:以上八种之一的单种纯气作为样品制备气氛选择;或其中3-4种气体以精确比例混合并按照严格流速控制形成的精准模拟反应环境条件。再配合与高压原位池本身10 bar和900 ºC的承受条件范围,就可以满足多数催化环境的模拟,也可以做煅烧,预还原等多种原位预处理,还可以完成温控动力学过程,滴定,脱附等多种较为严格的动力学验证测试,可以实现把XPS原位表征和其他在线表面联用装置结合在一起,对同一个反应过程进行平行更高维度的表征。

当然,我们也保留了传统真空设备泄漏阀的低压气体处理功能。以上八路气体也可以通过一个泄漏阀是样品获得10-8-10-1torr的低压气体原位处理。另外我们还由课题组成员,俄罗斯专家叶沃博士(Dr. Evgeny Vovk)设计增加了一个不需要外部气体即可在真空中自行生成极少量强氧化剂NO2的气源,可以在局域只对样品氧化而完全不影响其他真空器件。

最后我们把课题组的专利设计“消色谱效应的超高真空腔对高压气体采样装置”与高压原位池以及XPS真空系统连接,可以对以上所有的反应过程(10-8torr-10 bar,室温-900 ºC)进行实时的产物监控。


贴士:原位制备对XPS测试的重要性

根据热力学分子自由程理论,即使是达到标准大气压亿分之一的真空环境,也存在着在一秒钟内彻底污染清洁样品表面的可能。对性质活泼的纳米金属,易潮解的氧化物以及对碳氢化合物亲合性比较好的样品,无论预处理如何精细,在把样品移交到XPS实验室检测的路上,整个表面就已经彻底改换了。想要认识这些预处理过程对表面的影响也就无从谈起。因此是否能具备原位处理能力对表征仪器而言,就像投胎一样,是个很重要的技术活。全世界最顶尖的实验室都会在这方面下足功夫。


下面是全程参与安装的周晓红同学画的设备图






(不断更新中





  组内活动  


苏州一日游

课题组聚餐


  组内动态  

课题组成员获奖记录


祝贺刘泽邦荣获“壳牌能源研究与创新卓越奖”一等奖学金

2017.9.11 法国凯普技术公司副总裁及中方团队访问课题组

2017.9.21 浦江人才项目 “Operando红外质谱对甲醇合成转化相关催化反应的在线机理研究”按期顺利结题




  代表论文  
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, ‘反应条件下在线表征装置的研制’ , 核技术, 39, 100101-1, 2016.

6. Y. Yang, C. A. Mims, D. Mei, C. H. F. Peden, C. T. Campbell, ‘Reactivity of Surface Bound Formate During Low temperature Methanol Synthesis on Copper Catalysts’, ACS Catalysis, 5, 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, Journal of Physical Chemistry  114, 17205 (2010).

  在研项目  

国家自然科学基金面上项目 2015线红外与质谱实控表征手段对碳一能源相关合成转化催化机理研究”,No. 21573148,2016.01-2019.12,负责人


上海市浦江人才项目 Operando红外质谱对甲醇合成转化相关催化反应的在线机理研究”, No. 15PJ1405800, 2015.07-2017.06,负责人


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

  专利  

杨永,李国栋,李沛豪,武浩,消色谱效应的超高真空腔对高压气体采样装置专利申请:201610140435.5


杨永,全温域快速控温高压微体积催化在线表征反应器专利申请:201511003224.9


杨永,李沛豪,刘泽邦,质谱仪对二十兆帕高压内范围实时线性采样装置201710094416.8


杨永,李沛豪,刘泽邦,Evgeny Vovk,针对X线表征设备原位池联用的反应控制和质谱分析站 (递交)

  本组成员  

Evgeny Vovk 研究助理教授

XPS,in situ characterization

 Boreskov Institute of Catalysis Russia

邮箱:evovk@shanghaitech.edu.cn

Jerry Pui Ho Li Postdoc

MS, in situ characterization

 University of Newcastle chemical engineering

邮箱:liph@shanghaitech.edu.cn

刘泽邦 博士研究生

Materials

 江南大学 应用化学

邮箱:liuzb@shanghaitech.edu.cn

管彩茹 硕士研究生

Physical chemistry

 上海师范大学 应用化学

邮箱:guancr@shanghaitech.edu.cn

魏百银 硕士研究生

Chemical engineering

 青岛科技大学 化学工程与工艺专业

邮箱:790045041@qq.com

周晓红 硕士研究生

Condensed matter physics

 安徽大学 材料物理

邮箱:zhouxh1@shanghaitech.edu.cn

范明慧 Postdoc(2014-2016年在站)

Chemical Physics

 中国科学技术大学化学物理系

邮箱:sunnyfan@ustc.edu.cn

武浩 硕士(2017年获得学位)

Chemical engineering

 中国矿业大学 材料成型及控制专业

邮箱:wuhao@shanghaitech.edu.cn