《自然•納米技術(shù)》封面故事：揭示“單中心近鄰原子協(xié)同催化”新概念
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院和合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心曾杰教授研究團(tuán)隊(duì)，通過構(gòu)筑高鉑負(fù)載量的鉑-硫化鉬原子級(jí)分散催化劑，揭示出單中心近鄰原子協(xié)同催化作用機(jī)制，且該協(xié)同作用是通過近鄰金屬原子之間的配位硫原子體現(xiàn)出來的。該成果以“Synergetic interaction between neighbouring platinum monomers in CO2 hydrogenation”為題，作為封面文章在線發(fā)表在最新一期《自然•納米技術(shù)》雜志上（Nature Nanotechnology, 2018, 13, 411-417）。
單原子催化劑由于其高原子利用率，低配位環(huán)境，以及金屬-載體強(qiáng)相互作用等獨(dú)特的性質(zhì)，受到了科研人員廣泛的關(guān)注。目前，大家對單原子體系活性中心的研究局限在孤立的金屬單原子位點(diǎn)，或者金屬單原子與載體配位原子之間的相互作用上。但是，單原子催化體系看似“獨(dú)立”的活性中心之間是否存在相互作用？對于這個(gè)問題，尚未有明確答案。
針對這一難題，研究人員構(gòu)筑了用于二氧化碳加氫制甲醇的鉑-硫化鉬原子級(jí)分散催化劑，揭示出單原子催化體系中也存在近鄰原子協(xié)同催化機(jī)制。在該催化劑中，負(fù)載的鉑原子取代了硫化鉬中的鉬原子，每個(gè)鉑原子與其配位的硫原子構(gòu)成了一個(gè)鉑-硫活性中心。當(dāng)兩個(gè)活性中心部分重疊或者相接形成鉑-硫-鉑時(shí)，其中的兩個(gè)鉑原子可稱為近鄰鉑單原子；若活性中心不相連，可稱為孤立鉑單原子。在二氧化碳加氫反應(yīng)中，近鄰鉑單原子的催化活性高于同等條件下孤立鉑單原子的活性。研究人員結(jié)合程序升溫脫附、原位紅外和原位X射線光電子能譜三種原位表征技術(shù)，并輔以密度泛函理論計(jì)算，研究了不同類型的單原子在二氧化碳加氫中的反應(yīng)機(jī)理。機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)近鄰鉑原子（鉑-硫-鉑）之間的配位硫原子能夠解離氫氣，并且作為反應(yīng)物和中間產(chǎn)物的吸附位點(diǎn)。在孤立鉑單原子上，二氧化碳不經(jīng)歷甲酸中間體而直接轉(zhuǎn)化為甲醇；相反，近鄰鉑單原子會(huì)協(xié)同催化二氧化碳加氫反應(yīng)，改變反應(yīng)路徑，使二氧化碳先轉(zhuǎn)化為甲酸，甲酸進(jìn)一步加氫生成甲醇。
該工作首次提出了“單中心近鄰原子協(xié)同催化”這一新概念，突破了人們對單原子之間互不干擾的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。研究發(fā)現(xiàn)近鄰單原子之間的協(xié)同作用是通過其配位原子體現(xiàn)出來的。該發(fā)現(xiàn)將人們的視線從單純對單原子的研究，延伸到對單原子的配位原子的研究，為單原子催化開辟了新的研究方向。
該項(xiàng)研究得到了中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、國家重大科學(xué)研究計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、合肥同步輻射光源等項(xiàng)目的資助。
封面：王國燕、馬燕兵
全文鏈接：http://www.nature.com/articles/s41565-018-0089-z
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