單原子催化劑的催化性能經(jīng)常被報(bào)道超過(guò)納米粒子，但缺乏直接比較這兩種催化劑相同和不同的位點(diǎn)的能力。
有鑒于此，美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Oliver Y. Gutiérrez和Roger Rousseau等人，將Fe3O4上穩(wěn)定的Rh單原子與Fe3O4和SiO2上負(fù)載的金屬納米粒子進(jìn)行了比較。
本文要點(diǎn)
要點(diǎn)1. 與Fe3O4表面相比，嵌入Fe3O4表面的Pt金屬的單原子與CO2的相互作用強(qiáng)度大大提高。單個(gè)Rh原子對(duì)CO2的強(qiáng)吸附和相應(yīng)的低活化能使CO2的轉(zhuǎn)化率比Rh納米顆粒高2個(gè)數(shù)量級(jí)。
要點(diǎn)2. 這種單原子的高活性源于它們與載體的配位作用所產(chǎn)生的部分氧化狀態(tài)。Fe3O4負(fù)載的Rh納米顆粒遵循單原子的CO2相互作用和還原行為，這歸因于Fe3O4-Rh界面上部分氧化位點(diǎn)的主導(dǎo)作用。因此，這兩種被認(rèn)為不同的材料展示了一種可能的共同的催化化學(xué)，并且在Fe3O4上的Pt基團(tuán)金屬的單個(gè)原子對(duì)于主要依賴于金屬- O - Fe環(huán)境的位點(diǎn)的催化反應(yīng)是特別成功的材料。負(fù)載在Fe3O4上的納米顆粒的催化性能與負(fù)載在SiO2上的納米顆粒相比，更類似于Rh單原子催化劑。要點(diǎn)3. 載體環(huán)境施加的中間氧化態(tài)（在金屬和形式陽(yáng)離子之間）（界面和單原子位點(diǎn)）導(dǎo)致與吸附和反應(yīng)分子的更有利的相互作用。即在反應(yīng)過(guò)程中，吸附CO2的基態(tài)是穩(wěn)定的，而吸附的CO的基態(tài)沿反應(yīng)路徑是不穩(wěn)定的。總之，通過(guò)對(duì)單金屬位點(diǎn)和Fe3O4負(fù)載的納米顆粒的理化和催化性能的詳細(xì)分析證實(shí)了金屬-O-Fe環(huán)境對(duì)Pt類金屬的電子性能的關(guān)鍵作用，并由此增強(qiáng)了CO2還原的基本步驟。
Yifeng Zhu et al. Environment of Metal–O–Fe Bonds Enabling High Activity in CO2 Reduction on Single Metal Atoms and on Supported Nanoparticles. J. Am. Chem. Soc., 2021.DOI: 10.1021/jacs.1c02276https://doi.org/10.1021/jacs.1c02276
