清华大学Nature子刊：茧丝化学策略制备超薄N掺杂碳纳米片负载金属单位点催化剂

【前言】

固体基质负载分散金属单原子位点催化剂正成为催化领域令人振奋的研究前沿。因为这种单位点催化剂具有原子级金属分散，所以这种催化剂在最大化原子效率、增强对目标产物的选择性、提高固有活性和促进可回收性方面显示出明显的优势。事实上，包括Au, Pt, Pd, Ru, Ir, Rh, Fe, Co, Ni, Mn, Mo,和W在内的单位点催化剂在过去几年中已有报道，在CO氧化、太阳能转化、制氢、氢化、CO₂还原以及氧还原反应中显示出特别的活性。迄今为止，科研人员已经报道了几种用于制备单位点催化剂的合成方案，包括光化学还原、共沉淀、原子层沉积(ALD)、湿法浸渍等。因此，具有丰富锚定位点和理想几何结构的支撑材料对于获得期望的催化性能至关重要。此外，显著增大载体材料的表面积可以暴露最多的活性位点来与反应物接触，这被认为是提高这些非均相负载的单位点催化剂固有活性的有效途径。各种沸石、金属有机骨架(MOFs)以及多孔碳材料已经被认为是单位点催化剂的常用载体。因此，建立合理和通用的合成方法来制备具有可控结构和超高表面积的单位点催化剂是非常需要的，但也是具有挑战性的。

【成果简介】

近日，来自清华大学的王定胜教授和李亚栋院士（共同通讯）团队在Nature Communications上发表文章，题为：A cocoon silk chemistry strategy to ultrathin N-doped carbon nanosheet with metal single-site catalysts。作者报道了一种茧丝绸化学策略来合成金属单原子嵌入超薄2D多孔N掺杂碳纳米片(M-ISA/CNS，M = Fe，Co，Ni )中催化剂。x射线吸收精细结构分析和球差校正电子显微镜显示了金属原子在N掺杂碳基体上的原子分散。特别是，Co-ISA/CNS显示出超高的比表面积(2105 m² g⁻¹)和高的C–H键活化活性。在室温下用过氧化氢将苯直接催化氧化成苯酚，而钴卟啉和金属纳米粒子形式的Co物种显示出可忽略的活性。密度泛函理论计算发现，在单个Co位点上生成的O = Co = O中心中间体是苯氧化成苯酚的高活性的原因。

【图文导读】

图1. Co-ISA/CNS催化剂合成及表征

a 合成机制示意图

b TEM 图；

c HRTEM图；

d EDX 图；

e 球差校正HAADF-STEM图；

图2. Co-ISA/CNS催化剂的XAFS结果

a Co-ISA/CNS的Co K-边；

b Co K边的傅里叶变换；

c EXAFS的小波变换；

d, e 在k和R空间相应的EXAFS拟合曲线；

图3. Fe-ISA/CNS和Ni-ISA/CNS微观结构和形貌表征

a–d TEM图；

b–e EDX图；

c–f球差校正HAADF-STEM图；

图4. 催化性能与机理

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

b Co-ISA/CNS催化剂循环性能；

c, d Co-ISA/CNS催化剂和Co-NPs 的H₂O₂活化以及苯氧化机理的DFT结果；

【总结】

总之，作者报道了一种合成简单有效的制备单原子催化剂的方法。能够在室温下，将苯直接催化氧化成苯酚，展现了较高的活性。

文献链接：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)

本文由材料人电子电工组Z. Chen供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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