單原子催化劑研究取得新進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所航天催化與新材料研究中心的中科院院士張濤和研究員王愛(ài)琴團(tuán)隊(duì)在單原子催化劑研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展，制備出單原子分散的Fe-N-C催化劑，并將其應(yīng)用于C-H鍵選擇性氧化反應(yīng)中，獲得了優(yōu)異的活性和選擇性。特別是利用包括X射線吸收光譜和穆斯堡爾譜在內(nèi)的多種表征技術(shù)，首次證明了中自旋Fe-N5結(jié)構(gòu)具有最高的催化活性。相關(guān)結(jié)果以全文形式發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.7b05130）。

M-N-C催化劑（M代表Fe、Co、Ni等）被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)反應(yīng)（如ORR、HER、CO2RR）和有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中，因其優(yōu)異的催化性能有望成為一種替代Pt族金屬的非貴金屬催化劑。但由于M-N-C催化劑的組成較為復(fù)雜，對(duì)其活性中心的認(rèn)識(shí)存在諸多爭(zhēng)議。而單原子分散的催化劑由于避免了M0、MOx、MCx等納米顆粒的干擾，為活性位的精細(xì)結(jié)構(gòu)解析提供了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。此前，該研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)合成出單原子分散的Co-N-C催化劑，并確定其結(jié)構(gòu)為CoN4C8-1-2O2（Chem. Sci., 2016, 7, 5758-5764）。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)又成功制備出單原子分散的Fe-N-C催化劑，該催化劑在乙苯C-H鍵選擇性氧化反應(yīng)中的催化活性和選擇性可媲美均相催化劑，且具有優(yōu)異的底物普適性和反應(yīng)穩(wěn)定性。更為重要的是，通過(guò)XAFS、M?ssbauer、EPR和毒化試驗(yàn)首次證明Fe-N-C催化劑中三價(jià)鐵離子存在多種配位結(jié)構(gòu)（FeNx, x = 4，5，6），其中中自旋的Fe-N5結(jié)構(gòu)具有最高催化活性，而該結(jié)構(gòu)在數(shù)量上卻僅占18%，說(shuō)明Fe-N-C催化劑的活性具有很大的提升空間，這對(duì)于后續(xù)指導(dǎo)人們?cè)O(shè)計(jì)更為高效的Fe-N-C催化劑提供了新的思路。

上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。（來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所）

大連化物所單原子催化劑研究取得新進(jìn)展