單原子催化劑是一類非常重要的多相催化劑。憑借其獨特的電子幾何結(jié)構(gòu)，人們發(fā)現(xiàn)單原子催化劑可在多個催化反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。然而，當一個反應(yīng)涉及兩個或兩個以上反應(yīng)分子活化時，由于缺乏足夠的催化活性吸附位點，其催化活性往往受到一定程度的抑制。因此，如何提高單原子催化劑的催化活性是人們面臨的一個重大的科學難題。雙原子催化劑，由于其結(jié)構(gòu)的靈活性和相鄰原子間的協(xié)同催化作用，其催化性能往往優(yōu)于相應(yīng)的單原子催化劑。原子間的距離在雙原子協(xié)同催化中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，隨著相鄰原子間距的改變，其催化性能也表現(xiàn)出巨大的差異。因此，如何精細調(diào)控雙原子間的距離是實現(xiàn)催化性能最優(yōu)化的關(guān)鍵。
近日，中國科學技術(shù)大學路軍嶺教授與孫治湖教授、張文華副教授合作，通過利用原子層沉積技術(shù) (ALD)，充分利用催化劑ALD制備過程中金屬有機前驅(qū)體間的空間位阻效應(yīng)，實現(xiàn)了Pt1Ni1異核雙原子原子間距的調(diào)控，在C3N4載體上精準制備出Pt1Ni1雙原子和Pt1+Ni1雙單原子催化劑。他們以氨硼烷放氫為探針反應(yīng)，系統(tǒng)研究了Pt1-Ni1距離變化對氨硼烷放氫反應(yīng)的影響。
高分辨電鏡結(jié)果表明，由于金屬前驅(qū)體間的空間位阻效應(yīng)，Pt1+Ni1雙單原子的原子間距 (4.9 ?) 遠遠大于Pt1Ni1雙原子 (2.5 ?)。譜學結(jié)果證明在Pt1Ni1雙原子結(jié)構(gòu)中發(fā)生了明顯的電子轉(zhuǎn)移，而在Pt1+Ni1雙單原子中并不存在。在氨硼烷放氫反應(yīng)中，他們發(fā)現(xiàn)其放氫速率與Pt1-Ni1間距離呈反比例關(guān)系，Pt1Ni1雙原子催化劑性能達到最佳，其比質(zhì)量活性高達1444 molH2 molPt-1 min-1，大約是Pt1單原子和Pt1+Ni1雙單原子催化劑的13和2倍。理論計算結(jié)果進一步表明，Pt1Ni1雙原子中橋連的-OH能有效促進水的解離，而Pt1則能促進B-H鍵的裂解，從而促進雙原子間雙功能高效協(xié)同催化。 該工作從原子水平上深入理解了異核雙原子催化劑原子間距對催化反應(yīng)性能的影響，為高效雙原子催化劑的設(shè)計，提供了新的思路。 論文信息 Dehydrogenation of Ammonia Borane by Platinum—Nickel dimers: Regulation of Heteroatom Interspace Boosts Bifunctional Synergetic Catalysis Si Chen+, Bingbing Gong+, Jian Gu+, Yue Lin, Bing Yang, Qingqing Gu, Rui Jin, Qin Liu, Wenxiang Ying, Xianxian Shi, Wenlong Xu, Lihua Cai, Yin Li, Zhihu Sun*, Shiqiang Wei, Wenhua Zhang*, and Junling Lu*. 文章的第一作者是中國科學技術(shù)大學博士后陳飔、博士龔兵兵和博士后古健。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202211919
