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《自然•纳米技术》封面故事:揭示“单中心近邻原子协同催化”新概念

发布日期:2018-05-10

近日,我室曾杰教授研究团队通过构筑高铂负载量的铂-硫化钼原子级分散催化剂,揭示出单中心近邻原子协同催化作用机制,且该协同作用是通过近邻金属原子之间的配位硫原子体现出来的。该成果以“Synergetic interaction between neighbouring platinum monomers in CO2 hydrogenation”为题,作为封面文章在线发表在最新一期《自然•纳米技术》杂志上(Nature Nanotechnology, 2018, 13, 411-417)。

单原子催化剂由于其高原子利用率,低配位环境,以及金属-载体强相互作用等独特的性质,受到了科研人员广泛的关注。目前,大家对单原子体系活性中心的研究局限在孤立的金属单原子位点,或者金属单原子与载体配位原子之间的相互作用上。但是,单原子催化体系看似“独立”的活性中心之间是否存在相互作用?对于这个问题,尚未有明确答案。

针对这一难题,研究人员构筑了用于二氧化碳加氢制甲醇的铂-硫化钼原子级分散催化剂,揭示出单原子催化体系中也存在近邻原子协同催化机制。在该催化剂中,负载的原子取代了硫化钼中的钼原子,每个铂原子与其配位的硫原子构成了一个铂-硫活性中心。当两个活性中心部分重叠或者相接形成铂--铂时,其中的两个铂原子可称为近邻铂单原子;若活性中心不相连,可称为孤立铂单原子。在二氧化碳加氢反应中,近邻铂单原子的催化活性高于同等条件下孤立铂单原子的活性。研究人员结合程序升温脱附、原位红外和原位X射线光电子能谱三种原位表征技术,并辅以密度泛函理论计算,研究了不同类型的单原子在二氧化碳加氢中的反应机理。机理研究发现近邻铂原子(铂--铂)之间的配位硫原子能够解离氢气,并且作为反应物和中间产物的吸附位点。在孤立铂单原子上,二氧化碳不经历甲酸中间体而直接转化为甲醇;相反,近邻铂单原子会协同催化二氧化碳加氢反应,改变反应路径,使二氧化碳先转化为甲酸,甲酸进一步加氢生成甲醇。

该工作首次提出了单中心近邻原子协同催化这一新概念,突破了人们对单原子之间互不干扰的传统认识。研究发现近邻单原子之间的协同作用是通过其配位原子体现出来的。该发现将人们的视线从单纯对单原子的研究,延伸到对单原子的配位原子的研究,为单原子催化开辟了新的研究方向。

该项研究得到了中科院前沿科学重点研究项目、国家重大科学研究计划、国家自然科学基金、合肥同步辐射光源等项目的资助。

 

封面:王国燕、马燕兵


全文链接:http://www.nature.com/articles/s41565-018-0089-z