結構明確金屬催化劑的演變:從納米催化到單原子位點催化

2020-11-23 騰訊網

催化在化學科學研究和化學工業中扮演著無可替代的角色。有90%以上的化學品是通過催化工藝合成製備的，催化所創造的產值佔全球GDP的近30%。發展新的催化劑合成技術、研究催化劑的結構和性質之間的關係，有助於我們解決當前所面臨的能源和環境挑戰，從而推動相關產業的快速發展。

基於近幾年金屬催化由納米尺度向單原子位點、團簇尺度演變，催化領域產生了一系列具有深刻影響力和啟發性的研究成果。清華大學李亞棟、牛志強研究團隊近期發表於Chem. Rev.期刊的綜述文章系統地闡述了納米催化和單原子位點催化方面的研究成果，展示了研究者從上個世紀以來在納米催化領域所取得的諸多成就和近幾年在單原子位點催化領域的新進展。綜述討論了納米/單原子位點催化劑的合成策略、構效關係以及新型納米/單原子位點催化劑在基礎化學工業、精細有機化工、能源轉化催化以及環境催化中的應用。

在綜述中，作者總結了從納米催化到單原子位點催化的研究歷程。在第一部分，作者討論了納米結構催化劑的尺寸（圖1）、形貌（圖2）和金屬-載體相互作用（圖3）對催化的影響，結合研究實例展示了具有特定結構的納米顆粒的結構動態演化。在第二部分，作者介紹了金屬單原子位點催化劑的發展歷史。金屬單原子位點和載體共同組成了以孤立的金屬單原子位點為活性中心的負載型催化劑。單原子位點催化劑中金屬原子的利用率達到100%。此外，單原子位點催化劑比納米顆粒具有更加明確、均一的活性中心，有利於結構-性質關係的研究。作者重點介紹了單原子位點催化劑的合成方法（圖4）及其獨特的催化性質和構效關係。最後，作者展示了一類由數個金屬原子構成的結構比較特殊的原子簇催化劑，這類團簇催化劑的尺寸介於納米催化劑和單原子位點催化劑之間，展現出了獨特催化性質（圖5）。

圖1. 金屬納米顆粒的表面原子配位數與尺寸的關係，以及Au催化劑催化CO氧化的尺寸效應。

圖2. (左)單晶表面原子的形狀依賴性電子結構及其ORR性能 (右) 不同形貌Cu納米晶對芳香環氧化合物脫氧展現出晶面效應。

圖3. (左) Pt向CeO2電子轉移與Pt納米顆粒尺寸的定量關係；（右）構築金屬/氧化物界面實現高活性高選擇性苯甲醇氧化

圖4. 金屬單原子位點催化劑的自下而上和自上而下合成方法

圖5. 孤立單團簇位點催化劑

Well-Defined Materials for Heterogeneous Catalysis: From Nanoparticles to Isolated Single-Atom Sites

Zhi Li, Shufang Ji, Yiwei Liu, Xing Cao, Shubo Tian, Yuanjun Chen, Zhiqiang Niu, Yadong Li

Chem. Rev.,2020,120, 623-6821, DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00311

導師介紹

李亞棟

https://www.x-mol.com/university/faculty/12007

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