《自然•納米技術》封面故事：揭示“單中心近鄰原子協(xié)同催化”新概念
近日，中國科學技術大學化學與材料科學學院和合肥微尺度物質科學國家研究中心曾杰教授研究團隊，通過構筑高鉑負載量的鉑-硫化鉬原子級分散催化劑，揭示出單中心近鄰原子協(xié)同催化作用機制，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》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-載體強相互作用等獨特的性質，受到了科研人員廣泛的關注。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，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“獨立”的活性中心之間是否存在相互作用？對于這個問題，尚未有明確答案。
針對這一難題，研究人員構筑了用于二氧化碳加氫制甲醇的鉑-硫化鉬原子級分散催化劑，揭示出單原子催化體系中也存在近鄰原子協(xié)同催化機制。在該催化劑中，負載的鉑原子取代了硫化鉬中的鉬原子，每個鉑原子與其配位的硫原子構成了一個鉑-硫活性中心。當兩個活性中心部分重疊或者相接形成鉑-硫-鉑時，其中的兩個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，并輔以密度泛函理論計算，研究了不同類型的單原子在二氧化碳加氫中的反應機理。機理研究發(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，并且作為反應物和中間產物的吸附位點。在孤立鉑單原子上，二氧化碳不經歷甲酸中間體而直接轉化為甲醇；相反，近鄰鉑單原子會協(xié)同催化二氧化碳加氫反應，改變反應路徑，使二氧化碳先轉化為甲酸，甲酸進一步加氫生成甲醇。
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)認識。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。
該項研究得到了中科院前沿科學重點研究項目、國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金、合肥同步輻射光源等項目的資助。
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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