中国科大在高活性高稳定性单原子催化剂设计方面取得进展。负载型金属催化剂广泛应用于多种工业催化反应中。单原子催化剂因其高金属原子利用率和新奇的催化特性，近些年引发科研工作者们的热烈关注。然而伴随着尺寸减小带来的表面自由能的升高，很容易导致单原子催化剂的稳定性降低，容易发生团聚，进而使得催化剂失活。为解决这一难题，中国科学技术大学教授路军岭课题组与教授韦世强、副教授张文华合作，通过利用金属-载体之间的电子相互作用(electronic metal-support interactions, emsis)，调控金属单原子的d轨道能级，设计出了高活性和高稳定性的单原子催化剂。研究成果以highly active and stable metal single-atom catalysts achieved by strong electronic metal–support interactions 为题，发表在国际期刊《美国化学会志》上(j. am. chem. soc. 2019, 141, 37, 14515-14519)，并被选为当期封面，论文的共同第一作者是李俊杰、关桥桥和吴红。
在该工作中，研究人员首先利用ald在co3o4、ceo2、zro2以及石墨烯四种不同的载体上制备出pt单原子催化剂。随后结合x-射线吸收谱(xafs)、光电子能谱(xps)、漫反射红外co吸收谱(drifts)对四种单原子催化剂进行电子结构表征，发现pt1/co3o4中的pt单原子具有更大程度的未占据5d电子轨道状态，这表明pt单原子和co3o4之间存在强emsis (图2a-d)。
在氨硼烷水解制氢反应中，作者发现emsis对其活性和稳定性有着重要影响。发现pt1/co3o4单原子催化剂表现出来的活性和稳定性均远高于其他三个pt单原子催化剂(图2 e,f)。张文华课题组通过密度泛函理论对pt 5d轨道进行了密度态分析，发现pt1/co3o4中pt的5d电子轨道状态得到了调制，使得氨硼烷分子在pt单原子上的吸附适中，而且对氢气的吸附大大弱化，进而促进了其催化活性的提高。这种通过emsis同时提升催化剂活性和稳定性的思路，同样可以推广至pd1/co3o4单原子催化剂以及其他催化反应中，例如加氢反应。因此，该工作为人们提出了一种新的制备高活性、高稳定单原子催化剂的普适方法。
该项研究得到国家自然科学基金、中央高校基础研究基金、中科院合肥科学中心优秀项目和max-planck凯发天生赢家一触即发官网的合作伙伴小组的资助。
图1 被当选的杂志封面图
图2.co3o4、ceo2、zro2以及石墨烯担载的pt单原子结构表征和催化性能。(a) xane; (b) exafs; (c) drifts co; (d) xps. (e)氨硼烷水解制氢活性和(f)循环稳定性。
