【人物与科研】北京化工大学宋宇飞教授课题组：单层水滑石上精确定位单原子Ru

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导语

近年来，由于单原子催化剂具有均一活性位点、最大化的原子利用率及独特的催化特性等特点，吸引了科研工作者的广泛关注。与均相催化剂中的单金属活性中心类似，在单原子催化剂中，通过金属-载体强相互作用构筑起的具有不同锚定位点的催化活性中心对其催化性能起着重要作用。因此，如何精准定位催化剂上负载的单原子，并进一步指导新型催化剂设计，仍是一项极具挑战性的课题。近日，北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室宋宇飞教授、赵宇飞教授和牛津大学段昊泓博士等采用一步法成功制备了单原子Ru负载的单层NiFe水滑石。基于详细的理论与实验研究，作者证实了单原子Ru并不是随机分散在水滑石层板上，而是通过与层板上三个相邻的氧原子配位而锚定在水滑石层板的Fe原子上方。相关研究成果发表于权威化学期刊Chemical Science（DOI: 10.1039/C8SC04480E），北京化工大学博士生王泽林和徐思民博士为文章的并列第一作者。

宋宇飞教授课题组简介

宋宇飞教授课题组以多酸和水滑石两类重要的无机功能材料体系为研究对象，以强化两类体系的结构认识为基础，拓展两类体系的功能应用为出口，经过10余年系统研究，形成了“多酸插层超分子组装与产品工程”特色研究方向，凝练了“以性能为导向设计多酸插层结构”、“以产品为导向控制插层组装过程”等关键科学问题，开展了基础和应用基础研究，提出了构筑多酸插层组装的新方法，发展了系列插层组装新材料，实现了插层组装的功能应用。

宋宇飞教授简介

宋宇飞，教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者。1993至2002年在山西大学完成本硕博连读，先后获得理学学士和理学博士学位。作为博士后研究员，先后于荷兰莱顿大学化学系（2002至2004年）、德国马普生物无机化学所（2004至2005年）、英国格拉斯哥大学化学系（2005至2008年）从事科学研究。2008年9月受聘到北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室。2012年获得国家自然科学基金委的“国家优秀青年基金”资助；2014年获得中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖；青年学者项目；2016年获国家自然科学基金杰出青年基金资助；2017年入选科技部中青年科技创新领军人才。目前担任《科学通报》和J. Energy. Chem杂志编委。至今，以通讯作者和第一作者在Nat. Protoc., Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Func. Mater.等刊物发表SCI收录论文140余篇，授权中国发明专利20项，构筑了较为完整的自主知识产权体系。主编英文专著1部，参写专著3部。先后主持了国家自然科学基金委杰出青年基金、国家自然科学基金重点项目、科技部重点研发计划课题等多项国家和省部级项目。

前沿科研成果

单层水滑石上精确定位单原子Ru

深入认识催化活性位点的配位结构是理解催化反应的核心问题之一。近年来，单原子催化剂由于其简单的结构以及独特的催化特性，为催化反应的机理研究提供了重要渠道。但是，如何精确定位负载单原子催化剂，仍是一项严峻挑战。

图1. Ru₁/NiFe-LDH的结构示意图

（来源：Chemical Science）

水滑石（LDHs）作为一类主体层板金属元素高度有序排列和组成可调的二维层状双金属氢氧化物，由于主客体间强烈的库仑作用，其主体层板中三价金属阳离子被二价金属阳离子均匀有序地分散。受水滑石结构的启发，作者在合成单层NiFe水滑石的过程中掺入单原子Ru，采用简单的一锅法成功制备了单原子Ru负载的单层NiFe水滑石（Ru₁/NiFe-LDH, 图1），通过XAFS及STEM等多种光谱学手段对催化剂的配位结构进行详细表征（图2），证明了Ru原子处于单分散状态。作者进一步通过XAFS的表征结果构筑体系模型，结合密度泛函计算结果，证明了单原子Ru并不是随机分散在水滑石层板上，而是通过与层板三个相邻氧原子配位从而锚定在水滑石层板的Fe原子上方。

图2. Ru₁/NiFe-LDH的精细结构表征

（来源：Chemical Science）

电催化氧化水合肼的性能测试表明，与没有负载Ru原子的NiFe水滑石相比较，单原子Ru负载的NiFe水滑石在水合肼的电催化还原中展示出优异的催化活性。通过理论计算证实，单原子Ru的负载可以降低禁带宽度，以促进电子传输，并且可以稳定电催化氧化水合肼的中间产物（*N₂H₃和*N₂H自由基），从而进一步降低反应的活化能垒，促进反应进行（图3）。

图3. Ru₁/NiFe-LDH的电子态密度、势能面、模型结构及水合肼氧化的基元反应吉布斯自由能

（来源：Chemical Science）

该合成方法也适用于其它种类的水滑石（MgAl-LDH，NiAl-LDH），并且可以将单原子Ru的负载量提高到7.0 wt%。该研究从分子水平上加深了对单原子负载单层LDHs的结构认识，为设计合成精确定位的单原子催化剂及认识构效关系开辟了一条新的途径。

研究工作得到了北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室和北京同步辐射装置1W1B-X射线吸收谱实验站的支持。相关研究工作也得到了国家重点基础研究发展计划（973计划）、国家杰出青年基金、中央高校基础科研基金的大力支持。

关于人物与科研

在科技元素在经济生活中日益受到重视的今天，中国迎来了“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在化学领域，在追求创新驱动的大背景下，国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多非常优秀的课题组。为此，CBG资讯采取1+X报道机制，CBG资讯、ChemBeanGo APP、ChemBeanGo官方微博、CBG微信订阅号等平台合力推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注他们的研究，倾听他们的故事，记录他们的风采，发掘他们的科研精神。

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