清華大學Nature子刊：繭絲化學策略制備超薄N摻雜碳納米片負載金屬單位點催化劑

cc 5年前 (2018-10-06) 4321瀏覽

【前言】

固體基質負載分散金屬單原子位點催化劑正成為催化領域令人振奮的研究前沿。因為這種單位點催化劑具有原子級金屬分散，所以這種催化劑在最大化原子效率、增強對目標產物的選擇性、提高固有活性和促進可回收性方面顯示出明顯的優勢。事實上，包括Au, Pt, Pd, Ru, Ir, Rh, Fe, Co, Ni, Mn, Mo,和W在內的單位點催化劑在過去幾年中已有報道，在CO氧化、太陽能轉化、制氫、氫化、CO2還原以及氧還原反應中顯示出特別的活性。迄今為止，科研人員已經報道了幾種用于制備單位點催化劑的合成方案，包括光化學還原、共沉淀、原子層沉積(ALD)、濕法浸漬等。因此，具有豐富錨定位點和理想幾何結構的支撐材料對于獲得期望的催化性能至關重要。此外，顯著增大載體材料的表面積可以暴露最多的活性位點來與反應物接觸，這被認為是提高這些非均相負載的單位點催化劑固有活性的有效途徑。各種沸石、金屬有機骨架(MOFs)以及多孔碳材料已經被認為是單位點催化劑的常用載體。因此，建立合理和通用的合成方法來制備具有可控結構和超高表面積的單位點催化劑是非常需要的，但也是具有挑戰性的。

【成果簡介】

近日，來自清華大學的王定勝教授和李亞棟院士（共同通訊）團隊在Nature Communications上發表文章，題為：A cocoon silk chemistry strategy to ultrathin N-doped carbon nanosheet with metal single-site catalysts。作者報道了一種繭絲綢化學策略來合成金屬單原子嵌入超薄2D多孔N摻雜碳納米片(M-ISA/CNS，M = Fe，Co，Ni )中催化劑。x射線吸收精細結構分析和球差校正電子顯微鏡顯示了金屬原子在N摻雜碳基體上的原子分散。特別是，Co-ISA/CNS顯示出超高的比表面積(2105?m2?g?1)和高的C–H鍵活化活性。在室溫下用過氧化氫將苯直接催化氧化成苯酚，而鈷卟啉和金屬納米粒子形式的Co物種顯示出可忽略的活性。密度泛函理論計算發現，在單個Co位點上生成的O = Co = O中心中間體是苯氧化成苯酚的高活性的原因。

【圖文導讀】

圖1. Co-ISA/CNS催化劑合成及表征

a 合成機制示意圖

b TEM 圖；

c HRTEM圖；

d EDX 圖；

e 球差校正HAADF-STEM圖；

圖2. Co-ISA/CNS催化劑的XAFS結果

a Co-ISA/CNS的Co K-邊；

b Co K邊的傅里葉變換；

c EXAFS的小波變換；

d, e 在k和R空間相應的EXAFS擬合曲線；

圖3. Fe-ISA/CNS和Ni-ISA/CNS微觀結構和形貌表征

a–d TEM圖；

b–e EDX圖；

c–f球差校正HAADF-STEM圖；

圖4. 催化性能與機理

a Co-ISA/CNS catalyst, CoPc, Co-NPs和NC的苯氧化催化比較

b Co-ISA/CNS催化劑循環性能；

c, d Co-ISA/CNS催化劑和Co-NPs 的H2O2 活化以及苯氧化機理的DFT結果；

【總結】

總之，作者報道了一種合成簡單有效的制備單原子催化劑的方法。能夠在室溫下，將苯直接催化氧化成苯酚，展現了較高的活性。

文獻鏈接：A cocoon silk chemistry strategy to ultrathin N-doped carbon nanosheet with metal single-site catalysts, (Nature Communications, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-06296-w)

本文由材料人電子電工組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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