王爱琴课题组：实现单原子催化剂配位环境调控

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中国科学院大连化学物理研究所催化与新材料研究室研究员王爱琴、中科院院士张涛团队与清华大学教授李隽合作，发展了一种乙二胺络合-惰性气氛快速热处理的单原子催化剂制备新方法，在不改变单原子分散的前提下，可以精细调控单原子中心的配位环境，从而建立了单原子配位环境、电子结构和催化性能之间的关系。

　　2011年，张涛团队与李隽和美国亚利桑那州立大学教授刘景月合作，在国际上首次报道了Pt1/FeOx单原子催化剂，并在此基础上提出了“单原子催化”的概念（Nat. Chem.）。在短短8年的时间里，单原子催化迅速成为催化领域的研究前沿（Nat. Rev. Chem.，2018；Natl. Sci. Rev., 2018；Chem. Rev.，2019）。作为一类特殊的负载型金属催化剂，单原子催化剂中活性金属原子通过与周围载体上的原子形成化学键从而达到单原子分散。但不同于金属有机配合物，单原子催化剂中的这种刚性连接结构使得调变单原子中心的配位环境非常困难。
　　在前期研究工作的基础上（Nat.Commun.，2014；Chem. Sci.，2017；J. Am. Chem. Soc.，2017），王爱琴和张涛团队通过创新催化剂制备方法，发展了一种乙二胺络合-惰性气氛快速热处理制备单原子催化剂的方法，不仅获得了较高负载量单原子Pt1/Fe2O3-T（T：500°C-600°C）催化剂，而且通过调节快速热处理温度可以在不改变Pt单原子分散的前提下，精细调控单原子Pt中心的配位环境：热解温度越高，单原子Pt中心的Pt-O配位数越低。科研人员进一步将单原子Pt中心的第一壳层Pt-O的配位数作为预测Pt活性中心的电子状态以及催化加氢活性的描述符：Pt-O的配位数越低，Pt的平均氧化态越低，催化剂的加氢活性则越高。这种活性金属中心配位环境的可调性使单原子催化剂成为连接均相催化和多相催化之间的桥梁，为设计兼具高活性与高选择性的加氢催化剂开辟了新途径。
　　上述研究工作得到国家自然科学基金委项目、科技部项目、中科院能源化学战略性先导科技专项（B）的资助，并于近日发表在《自然-通讯》（Nat. Commun.）上。


       单原子催化剂(SACs)是指金属以单原子形式均匀分散在载体上形成的具有优异催化性能的催化剂.与传统载体型催化剂相比,SACs具有活性高、选择性好及贵金属利用率高等优点,在氧化反应、加氢反应、水煤气变换、光催化制氢以及电化学催化等领域都具有广泛应用,是目前催化领域的研究热点之一。常见的SACs制备方法有共沉淀法、浸渍法、置换反应法、原子层沉积法以及反奥斯瓦尔德熟化法等.实验及理论研究表明,单原子催化剂高的活性和选择性可归因于活性金属原子和载体之间的相互作用及由此引起的电子结构改变.载体是影响单原子催化剂性能的重要因素之一。目前常用的SACs载体有金属氧化物、二维材料和金属纳米团簇等。

       王爱琴,大连化物所研究员。1968年出生于内蒙古，1986-1993年就读于大连理工大学石油化工系，分别获学士和硕士学位。之后到大连化物所工作，并于2001年获得大连化物所博士学位，2003年被聘为副研究员，2009年被聘为研究员。曾先后到香港城市大学、台湾大学从事博士后研究。现任航天催化与新材料研究室肼分解催化剂课题组副组长。承担国家973计划、国家自然科学基金等多项课题，发表SCI论文100余篇。


       张涛，男，汉族，1963年生。中共党员，博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员。2013年当选为中国科学院院士。1989年在中国科学院大连化学物理研究所获博士学位，1989年至1990年在英国伯明翰大学做访问学者，回国后，历任大连化学物理研究所研究组副组长、组长、室主任、副所长、党委书记等职务，曾兼任国家催化工程技术研究中心主任，2007年2月至2017年2月任大连化学物理研究所所长。2016年12月任中国科学院副院长、党组成员。


         李隽，清华大学教授，1992年毕业于中国科学院福建物质结构研究所，师从我国著名结构化学家卢嘉锡教授。2004年入选清华大学“百名人才”引进计划，2005年受聘为教育部“长江学者”特聘教授，并获国家“杰出青年科学基金”资助。李隽教授的主要研究领域为理论与计算化学，在理论无机化学、镧系和锕系重元素量子化学、原子簇化学领域开展了长期的理论研究工作。