清华大学李亚栋院士团队《Nat. Chem.》：覆盖元素周期表的单原子位点催化剂合成策略并发现新型甲酸电氧化催化剂

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近日，清华大学李亚栋院士和王定胜副教授团队，在《Nature Chemistry》发表题为“Iridium single-atom catalyst on nitrogen-doped carbon for formic acid oxidation synthesized using a general host–guest strategy”的重要成果，该团队 发展了一种覆盖周期表不同族金属单原子位点催化剂合成策略，从中发现了首例具有高效甲酸氧化性能的铱基单原子催化剂，并揭示了其表现出异常高效甲酸氧化性能的原因 。

金属单原子催化剂作为一类新颖的催化材料，不仅可以最大化金属原子利用效率，更因为其独特的电子和空间结构，有潜力表现出与体相材料截然不同的性质。这种性质差异性蕴含着发现新物质及其新性质的巨大机会。

新材料的通用合成方法是挖掘其新性质的重要前提和基础。研究者发展了一种通用的主客体化学合成策略，用于合成多种氮掺杂碳负载的金属单原子位点催化剂（M₁/ CN，M = Pt，Ir，Pd，Ru，Mo，Ga，Cu，Ni，Mn）。该方法基于主客体化学，在原位晶体生长的条件下，将金属前驱体封装在笼状的金属有机框架孔洞中，形成了金属前驱体在金属有机框架（ZIF）中的均匀分散的主客体结构，在随后的高温煅烧中，金属前驱体分解并被固载在ZIF衍生的碳氮基底上。

主客体策略合成单原子位点催化剂示意图和铱单原子位点结构表征

该方法具有相当的普适性，能够实现覆盖元素周期表中位于3d、4p、4p、5d的具有催化活性的各种金属单原子位点材料的合成。在这些材料中，研究者发现单原子材料对于甲酸电催化氧化反应（FAOR）表现出了不同于体相材料的性质。传统的Pd、Pt纳米颗粒是高效的FAOR催化剂，其单原子Pd₁/CN和Pt₁/CN却并不展示出可检测的甲酸氧化电流。而体相情况下几乎惰性的Ir颗粒，在其尺寸下降到单原子水平却表现出了极高的甲酸电氧化性能。

主客体策略用于3d、4p、4p、5d 区（Pt，Ir，Pd，Ru，Mo，Ga，Cu，Ni，Mn）单原子位点材料的合成

循环伏安测量显示Ir₁/CN的峰电流密度达到了12.9 A/mgIr，这个数值比Ir₁/CN高了三个数量级（〜4.8×10-3A / mgIr），同时也达到16倍于商业Pd/C和19倍于商业Pt/C的水平。此外，Ir₁/CN还表现出了前所未有的对CO抗中毒性。第一性原理密度泛函理论揭示了Ir₁/CN的性质源于Ir位点的空间隔离及其独特的电子结构。本研究发现将金属纳米粒子缩小为单个原子可以带来传统上不具备的优异催化性能，开发了一类全新的FAOR催化体系，并为发现其他新型单原子材料的新性质奠定了基础。

铱单原子位点催化剂的甲酸氧化性能表征和机理研究

文章的通讯作者是清华大学化学系李亚栋院士和王定胜副教授，第一作者是化学系博士后李治、博士生陈远均和博士后冀淑方。本研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金和北京市科委项目的支持。课题组相关研究工作得到了清华大学理论化学中心、中科院物理所、北京化工大学、北京工业大学等单位的计算和技术支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41557-020-0473-9

来源：清华大学

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