基于單原子催化劑研究金屬?載體相互作用

申文杰

(中國科學院大連化學物理研究所，催化基礎國家重點實驗室，遼寧 大連 116023)

基于單原子催化劑研究金屬?載體相互作用

申文杰

(中國科學院大連化學物理研究所，催化基礎國家重點實驗室，遼寧 大連 116023)

金屬?載體相互作用是負載型金屬催化劑的基本結構特征，也是影響催化性能的關鍵因素。長期以來，對金屬-載體相互作用機制的研究大都集中在氧化還原性氧化物負載的貴金屬納米粒子催化劑體系；但是由于金屬粒子尺寸分布的不均勻性和氧化物載體表面的各向異性，很難從原子尺度上形成對催化活性位點和反應機理明確認知，也難以定量描述和理解金屬-載體相互作用的化學本質1。基于單原子催化劑研究金屬-載體相互作用能夠排除金屬顆粒在金屬-載體界面上尺寸、形貌和取向的影響，因此，單原子催化劑被視為理想的研究平臺2。此外，氧化物相變材料被認為是研究該相互作用理想的載體材料，因為其可以在調控能帶結構的同時，保持單原子或活性位點的空間分布不改變。

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室和化學與材料科學學院曾杰教授課題組長期以來關注金屬納米催化研究，并取得了一系列重要進展3–5。最近，曾杰教授課題組、南開大學胡振芃教授和中科院上海應用物理研究所司銳教授合作，基于單原子催化劑，從電子最高占據態角度定量研究了金屬?載體相互作用6。他們將Rh單原子負載在相變材料 VO2納米棒上，構筑出Rh1/VO2單原子催化劑。在氨硼烷產氫反應中，載體VO2納米棒的金屬-絕緣體相變引起了催化反應活化能的改變。通過實驗和理論分析，發現載體的金屬-絕緣體相變誘導了 Rh單原子中電子最高占據態的能量變化，其能量變化值大致相當于催化反應活化能的改變量。因此，他們認為Rh1/VO2的催化性能與 Rh單原子的電子最高占據態直接相關，Rh單原子的電子最高占據態取決于載體的能帶結構。基于此機理，他們還通過調控單原子中電子最高占據態，進一步設計出高效非貴金屬單原子催化劑。

該項研究從金屬原子最高占據態角度為定量研究金屬-載體相互作用提供了簡潔、清晰的圖像，也為進一步設計構筑高效、廉價的產氫催化劑提供了理論基礎。該工作最近發表在Angewandte Chemie International Edition雜志上6。

(1) Lunkenbein, T.; Schumann, J.; Behrens, M.; Schl?gl, R.; Willinger, M.G. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 4544.doi: 10.1002/ange.201411581

(2) Qiao, B.; Wang, A.; Yang, X.; Allard, L. F.; Jiang, Z.; Cui, Y.; Liu, J.;Li, J.; Zhang, T. Nat. Chem. 2011, 3, 634. doi:10.1038/nchem.1095

(3) Wang, L.; Zhang, W.; Wang, S.; Gao, Z.; Luo, Z.; Wang, X.; Zeng, R.;Li, A.; Li, H.; Wang, M.; Zheng, X.; Zhu, J.; Zhang, W.; Ma, C.; Si, R.;Zeng, J. Nat. Commun. 2016, 7, 14036. doi: 10.1038/ncomms14036

(4) Wang, M.; Wang, L.; Li, H.; Du, W.; Khan, M. U.; Zhao, S.; Ma, C.;Li, Z.; Zeng, J. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 14027.doi: 10.1021/jacs.5b08289

(5) Khan, M. U.; Wang, L.; Liu, Z.; Gao, Z.; Wang, S.; Li, H.; Zhang, W.;Wang, M.; Wang, Z.; Ma, C.; Zeng, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55,9548. doi: 10.1002/anie.201602512

(6) Wang, L.; Li, H.; Zhang, W.; Zhao, X.; Qiu, J.; Li, A.; Zheng,X.; Hu, Z.; Si, R.; Zeng, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56,4712. doi: 10.1002/anie.201701089

Study on Metal?Support Interaction at Atomic Scale

SHEN Wenjie
(State Key Laboratory of Catalysis, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences,Dalian 116023, Liaoning Province, P. R. China)

10.3866/PKU.WHXB201704241 www.whxb.pku.edu.cn