單原子催化劑研究取得新進展

據中國科學院報道：近jin日ri，中zhong國guo科ke學xue院yuan大da連lian化hua學xue物wu理li研yan究jiu所suo航hang天tian催cui化hua與yu新xin材cai料liao研yan究jiu中zhong心xin的de中zhong科ke院yuan院yuan士shi張zhang濤tao和he研yan究jiu員yuan王wang愛ai琴qin團tuan隊dui在zai單dan原yuan子zi催cui化hua劑ji研yan究jiu領ling域yu取qu得de新xin進jin展zhan，製zhi備bei出chu單dan原yuan子zi分fen散san的deFe-N-C催化劑，並將其應用於C-H鍵選擇性氧化反應中，獲得了優異的活性和選擇性。特別是利用包括X射線吸收光譜和穆斯堡爾譜在內的多種表征技術，首次證明了中自旋Fe-N5結構具有最高的催化活性。相關結果以全文形式發表於《美國化學會誌》（J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.7b05130）。

M-N-C催化劑（M代表Fe
、Co
、Ni等）被廣泛應用於電化學反應（如ORR


、HER、CO2RR）和有機化學反應中
，因其優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。但由於M-N-C催化劑的組成較為複雜，對其活性中心的認識存在諸多爭議。而單原子分散的催化劑由於避免了M0、MOx、MCx等納米顆粒的幹擾，為活性位的精細結構解析提供了獨特優勢。此前，該研究團隊已經合成出單原子分散的Co-N-C催化劑，並確定其結構為CoN4C8-1-2O2（Chem. Sci., 2016, 7, 5758-5764）。在此基礎上
，該團隊又成功製備出單原子分散的Fe-N-C催化劑

，該催化劑在乙苯C-H鍵選擇性氧化反應中的催化活性和選擇性可媲美均相催化劑，且具有優異的底物普適性和反應穩定性。更為重要的是
，通過XAFS
、Mössbauer、EPR和毒化試驗首次證明Fe-N-C催化劑中三價鐵離子存在多種配位結構（FeNx, x = 4，5，6），其中中自旋的Fe-N5結構具有最高催化活性，而該結構在數量上卻僅占18%
，說明Fe-N-C催化劑的活性具有很大的提升空間，這對於後續指導人們設計更為高效的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基金委、科技部
、中科院戰略性先導科技專項和教育部能源材料化學協同創新中心的資助。