中科院科學家在零價金屬原子催化研究中取得進展

在國家自然科學基金委員會重大項目資助下，中國科學院科學家團隊——中科院院士、化學研究所研究員李玉良石墨炔研究團隊建立了原子催化的新理念，改變了傳統的催化觀念，突破了該領域的難題。研究成果以Anchoring zero valence single atoms of nickel and iron on graphdiyne for hydrogen evolution為題於4月13日在《自然-通訊》（Nature Communications）上在線發表。

過渡金屬原子催化劑是催化領域的研究前沿，目前過渡金屬單原子催化劑主要是以團簇的形式存在，價態不能確定或不是整數價態。近幾年來科學家們一直期待零價過渡金屬原子催化劑的出現，因此，製備零價過渡金屬原子催化劑是催化領域的巨大挑戰。2010年首次化學合成了碳新同素異形體——石墨炔，開拓了碳科學研究的新領域，從石墨炔特殊的化學結構和電子結構出發在理論上和實驗上成功解決了該領域的系列基礎科學問題，並與中科院青島生物能源與過程研究所、香港理工大學和中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所等合作，拓展了石墨炔在催化、能源、電化學驅動器以及光電性質等方面的研究（Nat. Commun.2017,8,1172；Nat. Commun.2018, 9,752；Angew. Chem. Int. Ed.2018, 57, 774和Adv. Mater.2018, DOI:10.1002/adma.201707082），發現了優異性能，特別是在電能與機械能量轉換方面。提出了炔-烯化學鍵轉換新的致動機理，改變了傳統電化學驅動器的電容致動機理。石墨炔驅動器比電容高達237 F g-1，換能效率高達6.03%，遠高於目前的電化學換能器件（換能效率低於1%），創造了電化學驅動器電能與機械能轉換新的紀錄。

近期他們提出了通過石墨炔的炔鍵、超大的表面和孔洞結構與過渡金屬催化原子之間的協同作用，在石墨炔上成功負載了過渡金屬Ni和Fe等零價原子並實現了其表面活性組分的高度分散（如圖），解決了傳統載體上作為團簇存在的單原子催化劑易遷移、聚集和電荷轉移不穩定等關鍵問題。石墨炔負載的零價過渡金屬催化劑在催化過程中展示了高的穩定性，催化劑中金屬含量僅有傳統單原子催化劑的萬分之一，但催化性能更為優異，過電位0.2 V時，該催化劑質量活性是Pt/C（20 %）的34.6倍，該鐵和鎳催化單位面積最大活性位點數分別是 (2.56 ×1016)和 (2.38×1016)，分別是 Pt(111) (1.5×1015)的17倍和15.8倍，並在酸體系下顯示了超高的穩定性。原子催化劑的出現為發展新型高效催化劑開拓了新的方向。該成果於4月13日在Nature Communications上發表。獲得《自然》雜誌副主編及同行高度評價。

零價過渡金屬原子催化劑的合成

（來源：中國科學院）

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