基于单原子催化剂研究金属−载体相互作用

申文杰

(中国科学院大连化学物理研究所，催化基础国家重点实验室，辽宁 大连 116023)

基于单原子催化剂研究金属−载体相互作用

申文杰

(中国科学院大连化学物理研究所，催化基础国家重点实验室，辽宁 大连 116023)

金属−载体相互作用是负载型金属催化剂的基本结构特征，也是影响催化性能的关键因素。长期以来，对金属-载体相互作用机制的研究大都集中在氧化还原性氧化物负载的贵金属纳米粒子催化剂体系；但是由于金属粒子尺寸分布的不均匀性和氧化物载体表面的各向异性，很难从原子尺度上形成对催化活性位点和反应机理明确认知，也难以定量描述和理解金属-载体相互作用的化学本质1。基于单原子催化剂研究金属-载体相互作用能够排除金属颗粒在金属-载体界面上尺寸、形貌和取向的影响，因此，单原子催化剂被视为理想的研究平台2。此外，氧化物相变材料被认为是研究该相互作用理想的载体材料，因为其可以在调控能带结构的同时，保持单原子或活性位点的空间分布不改变。

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室和化学与材料科学学院曾杰教授课题组长期以来关注金属纳米催化研究，并取得了一系列重要进展3–5。最近，曾杰教授课题组、南开大学胡振芃教授和中科院上海应用物理研究所司锐教授合作，基于单原子催化剂，从电子最高占据态角度定量研究了金属−载体相互作用6。他们将Rh单原子负载在相变材料 VO2纳米棒上，构筑出Rh1/VO2单原子催化剂。在氨硼烷产氢反应中，载体VO2纳米棒的金属-绝缘体相变引起了催化反应活化能的改变。通过实验和理论分析，发现载体的金属-绝缘体相变诱导了 Rh单原子中电子最高占据态的能量变化，其能量变化值大致相当于催化反应活化能的改变量。因此，他们认为Rh1/VO2的催化性能与 Rh单原子的电子最高占据态直接相关，Rh单原子的电子最高占据态取决于载体的能带结构。基于此机理，他们还通过调控单原子中电子最高占据态，进一步设计出高效非贵金属单原子催化剂。

该项研究从金属原子最高占据态角度为定量研究金属-载体相互作用提供了简洁、清晰的图像，也为进一步设计构筑高效、廉价的产氢催化剂提供了理论基础。该工作最近发表在Angewandte Chemie International Edition杂志上6。

(1) Lunkenbein, T.; Schumann, J.; Behrens, M.; Schlögl, 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