單原子催化劑取得重要進展

      負(fù)載型金屬催化劑廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)催化反應(yīng)中。單原子催化劑因其高金屬原子利用率和新奇的催化特性，近些年引發(fā)科研工作者們的熱烈關(guān)注。然而伴隨著尺寸減小帶來的表面自由能的升高，很容易導(dǎo)致單原子催化劑的穩(wěn)定性降低，容易發(fā)生團聚，進而使得催化劑失活。

      為解決這一難題，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)路軍嶺教授課題組與韋世強教授、張文華副教授合作，通過利用金屬-載體之間的電子相互作用（Electronic metal-support interactions, EMSIs），調(diào)控金屬單原子的d 軌道能級，設(shè)計出了高活性和高穩(wěn)定性的單原子催化劑。研究成果以“Highly Active and Stable Metal Single-Atom Catalysts Achieved by Strong Electronic Metal–Support Interactions”為題，發(fā)表在國際權(quán)威期刊J. Am. Chem. Soc雜志上（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 37, 14515-14519），并被選為當(dāng)期封面，論文的共同第一作者是博士研究生李俊杰、關(guān)橋橋和吳紅。

      在該工作中，研究人員首先利用ALD在Co₃O₄、CeO₂、ZrO₂以及石墨烯四種不同的載體上制備出Pt單原子催化劑。隨后結(jié)合X-射線吸收譜(XAFS)、光電子能譜(XPS)、漫反射紅外CO吸收譜(DRIFTS)對四種單原子催化劑進行電子結(jié)構(gòu)表征，發(fā)現(xiàn)Pt1/Co₃O₄中的Pt單原子具有更大程度的未占據(jù)5d電子軌道狀態(tài)，這表明Pt單原子和Co₃O₄之間存在強EMSIs (圖2a-d)。

      在氨硼烷水解制氫反應(yīng)中，作者發(fā)現(xiàn)EMSIs對其活性和穩(wěn)定性有著重要影響。發(fā)現(xiàn)Pt1/Co₃O₄單原子催化劑表現(xiàn)出來的活性和穩(wěn)定性均遠(yuǎn)高于其他三個Pt單原子催化劑 (圖2 e,f)。張文華副教授課題組通過密度泛函理論對Pt 5d軌道進行了密度態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)Pt1/Co₃O₄中Pt的5d電子軌道狀態(tài)得到了調(diào)制，使得氨硼烷分子在Pt單原子上的吸附適中，而且對氫氣的吸附大大弱化，進而促進了其催化活性的提高。這種通過EMSIs同時提升催化劑活性和穩(wěn)定性的思路，同樣可以推廣至Pd1/Co₃O₄單原子催化劑以及其他催化反應(yīng)中，例如加氫反應(yīng)。因此，該工作為人們提出了一種新的制備高活性、高穩(wěn)定單原子催化劑的普適方法。

      該項研究得到了由國家自然科學(xué)基金、中央高?；A(chǔ)研究基金、中國科學(xué)院合肥科學(xué)中心優(yōu)秀項目和Max-Planck合作伙伴小組的資助。

（來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）

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