中科院科学家合作在高活性高稳定性单原子催化剂设计研究方面取得进展学术资讯

来源：中国高科技

　　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，中国科学院科学家团队——中科大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博士研究生李俊杰、关桥桥和吴红。

　　在该工作中，研究人员首先利用原子层沉积（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。（来源：中国科学院）

来源：cas-hitech 中国高科技

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