我院紀紅兵教授研究團隊發表Nature Communications通訊論文：一種普适性制備單原子催化劑的策略

        單原子催化劑由于其極高的原子利用率和優異的催化性能，受到了廣泛的關注。化學家們相繼開發了一系列合成方法，包括浸漬法、離子交換法、共沉澱法、熱解法和原子層沉積法等。然而，随着研究工作的深入，研究者們發現目前已有的合成方法無法完全滿足從原子尺度精準設計/合成催化劑的需求，因此迫切需要一種普适性制備單原子催化劑的新策略。

        基于此，太阳集团1088vip紀紅兵教授、何曉輝副研究員與北京大學馬丁教授、安徽大學葛炳輝教授緊密合作，提出了一種“前驅體稀釋”的合成策略。這種策略是以特定金屬卟啉為目标金屬的前驅體，以結構非常類似的卟啉為稀釋劑，用傅克烷基化方法将兩者進行聚合，再經高溫碳化即可得到對應的單原子催化劑（以鉑單原子催化劑為例，如圖所示）。

單原子催化劑普适性制備策略及優異的加氫選擇性

        該策略最有價值的地方就在于其賦予研究者充分的自由度來實現從原子尺度設計/合成催化劑。

        其一，利用卟啉配體與大多數金屬元素良好的配位能力，先合成24種金屬卟啉，再通過如圖所示方法即可合成24種單原子催化劑，這其中包括貴金屬（Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Au），過渡金屬（Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Mo, Cd, W, Er）和主族金屬（Ga, In, Sn, Bi）。其二，通過調節金屬卟啉和卟啉等前驅體的摩爾比，即可獲得具有不同表面原子密度的單原子催化劑。其三，通過加入兩種金屬卟啉，如鉑卟啉和錫卟啉，并與卟啉進行聚合，然後碳化，即可獲得雙金屬單原子催化劑。其四，通過改變碳化溫度（600 ℃，700 ℃，800 ℃），即可實現鉑物種的聚集狀态從單原子，到納米簇（1.1 nm）再到納米顆粒（6.9 nm）的轉變。

        進一步地，該團隊将所合成的鉑單原子催化劑應用于選擇加氫反應中，發現該催化劑展現出了優異的化學選擇性和區域選擇性。特别是區域選擇性，目前還鮮有單原子催化劑的相關報道。作者發現，當底物分子同時存在端位和非端位炔基時，鉑單原子催化劑非常專一地催化端位炔基的半加氫。與此相反，鉑納米催化劑則沒有選擇性，會對兩種炔基同時進行加氫。結合文獻的認識，作者推斷這是由于鉑單原子非常小，導緻底物僅能以端位吸附的方式進行活化，而鉑納米顆粒尺寸較大，可同時以端位吸附和平面吸附兩種方式對底物進行活化。為了驗證上述猜測，該團隊利用不同尺寸的鉑物種（鉑單原子，鉑納米簇和鉑納米顆粒）分别催化三種非端位炔烴的加氫反應，結果與預期的一緻，其催化活性随着鉑物種粒徑的增大而顯著提升。這就證明了鉑單原子催化劑優異的區域選擇性主要源于幾何效應。

        根據目标反應，理性設計催化劑，并從原子層次構築活性位點，從而實現催化性能的大幅提高和催化機理的深入理解，是多相催化永恒的追求。本課題組将繼續圍繞這一關鍵科學問題，展開深入系統的研究工作。

        上述研究進展發表于Nature Communications雜志，太阳集团app首页為文章第一完成單位，太阳集团1088vip何曉輝副研究員、博士生何千同學、北京大學博士生鄧毓晨同學為共同第一作者，紀紅兵教授、北京大學馬丁教授、安徽大學葛炳輝教授為文章的通訊作者。

        該研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、廣東省自然科學基金、廣東省珠江人才計劃本土創新團隊項目、廣東省教育廳特色創新計劃、高校科研業務費的大力支持。

        論文鍊接： https://www.nature.com/articles/s41467-019-11619-6