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

      為解決這一難題，中國科學技術大學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），調控金屬單原子的d 軌道能級，設計出了高活性和高穩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，發表在國際權威期刊J. Am. Chem. Soc雜志上（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 37, 14515-14519），并被選為當期封面，論文的共同第一作者是博士研究生李俊杰、關橋橋和吳紅。

      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構表征，發現Pt1/Co₃O₄中的Pt單原子具有更大程度的未占據5d電子軌道狀態，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中，作者發現EMSIs對其活性和穩定性有著重要影響。發現Pt1/Co₃O₄單原子催化劑表現出來的活性和穩定性均遠高于其他三個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軌道進行了密度態分析，發現Pt1/Co₃O₄中Pt的5d電子軌道狀態得到了調制，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中，例如加氫反應。因此，該工作為人們提出了一種新的制備高活性、高穩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基金、中央高校基礎研究基金、中國科學院合肥科學中心優秀項目和Max-Planck合作伙伴小組的資助。

（來源：中國科學技術大學）

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