清華新聞網6月23日電 近日，清華大學化學系李亞棟院士和王定勝副教授團隊在《自然·化學》（Nature Chemistry）發(fā)表題為“一種通用的主客體合成策略制備銥碳氮單原子位點催化劑用于甲酸氧化反應”（Iridium single-atom catalyst on nitrogen-doped carbon for formic acid oxidation synthesized using a general host–guest strategy）的重要成果該團隊發(fā)展了一種覆蓋周期表不同族金屬單原子位點催化劑合成策略，從中發(fā)現(xiàn)了首例具有高效甲酸氧化性能的銥基單原子催化劑，并揭示了其表現(xiàn)出異常高效甲酸氧化性能的原因。
金屬單原子催化劑作為一類新穎的催化材料，不僅可以最大化金屬原子利用效率，更因為其獨特的電子和空間結構，有潛力表現(xiàn)出與體相材料截然不同的性質。這種性質差異性蘊含著發(fā)現(xiàn)新物質及其新性質的巨大機會。
新材料的通用合成方法是挖掘其新性質的重要前提和基礎。研究者發(fā)展了一種通用的主客體化學合成策略，用于合成多種氮摻雜碳負載的金屬單原子位點催化劑（M1/ CN，M = Pt，Ir，Pd，Ru，Mo，Ga，Cu，Ni，Mn）。該方法基于主客體化學，在原位晶體生長的條件下，將金屬前驅體封裝在籠狀的金屬有機框架孔洞中，形成了金屬前驅體在金屬有機框架（ZIF）中的均勻分散的主客體結構，在隨后的高溫煅燒中，金屬前驅體分解并被固載在ZIF衍生的碳氮基底上。
主客體策略合成單原子位點催化劑示意圖和銥單原子位點結構表征
該方法具有相當?shù)钠者m性，能夠實現(xiàn)覆蓋元素周期表中位于3d、4p、4p、5d的具有催化活性的各種金屬單原子位點材料的合成。在這些材料中，研究者發(fā)現(xiàn)單原子材料對于甲酸電催化氧化反應（FAOR）表現(xiàn)出了不同于體相材料的性質。傳統(tǒng)的Pd、Pt納米顆粒是高效的FAOR催化劑，其單原子Pd1/CN和Pt1/CN卻并不展示出可檢測的甲酸氧化電流。而體相情況下幾乎惰性的Ir顆粒，在其尺寸下降到單原子水平卻表現(xiàn)出了極高的甲酸電氧化性能。
主客體策略用于3d、4p、4p、5d區(qū)（Pt，Ir，Pd，Ru，Mo，Ga，Cu，Ni，Mn）單原子位點材料的合成
循環(huán)伏安測量顯示Ir1/CN的峰電流密度達到了12.9 A/mgIr，這個數(shù)值比Ir/C高了三個數(shù)量級（?4.8×10-3A / mgIr），同時也達到16倍于商業(yè)Pd/C和19倍于商業(yè)Pt/C的水平。此外，Ir1/CN還表現(xiàn)出了前所未有的對CO抗中毒性。第一性原理密度泛函理論揭示了Ir1/CN的性質源于Ir位點的空間隔離及其獨特的電子結構。本研究發(fā)現(xiàn)將金屬納米粒子縮小為單個原子可以帶來傳統(tǒng)上不具備的優(yōu)異催化性能，開發(fā)了一類全新的FAOR催化體系，并為發(fā)現(xiàn)其他新型單原子材料的新性質奠定了基礎。
銥單原子位點催化劑的甲酸氧化性能表征和機理研究
文章的通訊作者是清華大學化學系李亞棟院士和王定勝副教授，第一作者是化學系博士后李治、博士生陳遠均和博士后冀淑方。本研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和北京市科委項目的支持。課題組相關研究工作得到了清華大學理論化學中心、中科院物理所、北京化工大學、北京工業(yè)大學等單位的計算和技術支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41557-020-0473-9
供稿：化學系
編輯：李華山
審核：程曦
