近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所航天催化與新材料研究中心院士張濤和研究員王愛琴團(tuán)隊(duì)在單原子催化劑研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展，制備出單原子分散的Fe-N-C催化劑，并將其應(yīng)用于C-H鍵選擇性氧化反應(yīng)中獲得了優(yōu)異的活性和選擇性。特別是利用包括X射線吸收光譜和穆斯堡爾譜在內(nèi)的多種表征技術(shù)，首次證明了中自旋Fe-N5結(jié)構(gòu)具有最高的催化活性。相關(guān)結(jié)果以全文形式發(fā)表于《美國化學(xué)會(huì)志》（J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.7b05130）。
大連化物所單原子催化劑研究取得新進(jìn)展
M-N-C催化劑（M = Fe, Co, Ni, etc.）被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)反應(yīng)（如ORR，HER，CO2RR）和有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中，因其優(yōu)異的催化性能有望成為一種替代Pt族金屬的非貴金屬催化劑。但由于M-N-C催化劑的組成較為復(fù)雜, 對其活性中心的認(rèn)識(shí)存在諸多爭議。而單原子分散的催化劑由于避免了M0, MOx, MCx等納米顆粒的干擾，為活性位的精細(xì)結(jié)構(gòu)解析提供了獨(dú)特優(yōu)勢。此前，該研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)合成出單原子分散的Co-N-C催化劑，并確定其結(jié)構(gòu)為CoN4C8-1-2O2（Chem. Sci., 2016, 7, 5758-5764）。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)又成功制備出單原子分散的Fe-N-C催化劑，該催化劑在乙苯C-H鍵選擇性氧化反應(yīng)中的催化活性和選擇性可媲美均相催化劑，且具有優(yōu)異的底物普適性和反應(yīng)穩(wěn)定性。更為重要的是，通過XAFS、M ssbauer、EPR和毒化試驗(yàn)首次證明Fe-N-C催化劑中三價(jià)鐵離子存在多種配位結(jié)構(gòu)（FeNx, x = 4，5，6），其中中自旋的Fe-N5結(jié)構(gòu)具有最高催化活性，而該結(jié)構(gòu)在數(shù)量上卻僅占18%，說明Fe-N-C催化劑的活性具有很大的提升空間，這對于后續(xù)指導(dǎo)人們設(shè)計(jì)更為高效的Fe-N-C催化劑提供了新的思路。
上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。
