單位點催化劑的簡便構筑方法、原理及性能研究

劉忠范

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

Pt1/hNCNC單位點催化劑的形貌與氫析出性能：(a) HAADF-STEM照片；(b) EXAFS圖譜，其中Pt/hCNC表示通過相同方法在未摻雜碳納米籠上構建的催化劑，Pt-NPs/hNCNC表示hNCNC負載的Pt納米粒子催化劑，Pt1/hNCNC和Pt/hCNC中Pt載量均為2.92% (w，質量分數)；(c)氫析出線性掃描伏安譜，其中Pt1/hNCNC后接數值表示Pt載量(%)；(d)氫析出穩定性，Pt1/hNCNC和Pt/hCNC中Pt載量均為2.92% (w)，Pt/C中Pt載量為20% (w)。

單位點催化劑(文獻中也時常稱為單原子催化劑)是負載型催化劑的極限，因其最大的原子利用率、獨特的催化性能、均一的配位環境等特點成為近年來科學研究的前沿熱點1。金屬單原子表面能高，容易團聚，其制備過程通常較為復雜，因此，方便地構建穩定性高的單位點催化劑對于開展相關基礎或應用研究均意義重大2-4。

近年來，南京大學胡征教授領銜的能源納米材料物理化學課題組發展了具有自主知識產權的技術路線，開發出具有新穎介觀結構、高比表面積、微孔-中孔-大孔共存、便于摻雜調變的碳基納米籠新材料，展現出一系列十分優異的能源轉化及儲存性能5-7。本項研究中，他們以氮摻雜碳納米籠(hNCNC)作載體，利用籠壁上豐富的微孔(～0.6 nm)易于捕獲金屬配位陰離子、摻雜氮原子利于錨定金屬原子的協同作用，通過最簡單的浸漬-吸附-烘干(70 °C)過程，制得了M1/hNCNC (M = Pt、Pd、Au、Ir等)單位點貴金屬催化劑。Pt1/hNCNC催化劑的Pt載量可高達5.68% (w，質量分數)，在酸性介質中表現出極低的氫析出過電位、超高的質量活性和優異的穩定性(見上圖)。通過理論和實驗研究揭示了Pt單位點催化劑的形成機制及其優異穩定性的根源。本項研究揭示的微孔捕獲和雜原子錨定的協同作用為方便構建高穩定單位點催化劑提供了新的思路和方法，對于促進單位點催化劑的基礎研究和實際應用具有重要價值。相關論文最近發表于Nature Communications雜志上8。該研究得到了國家自然科學基金重點項目、科技部納米重大研究計劃等項目的資助。