廈門大學鄭南峰Sci. Bull.：單原子催化劑載體不可忽視的作用：可直接參與催化反應

【引言】

單原子催化劑的活性中心僅局限于單原子中心本身嗎？除了作為穩定單原子中心的配體，單原子催化劑的載體是否還扮演其他重要角色？最近，一項研究提出了單原子催化劑載體促進催化反應的鄰近效應，揭示了金屬氧化物載體可以直接參與催化底物的活化，大幅提升單原子催化劑的活性。Science Bulletin?2018年第11期封面文章報道了這一研究。

【成果簡介】

單原子催化是催化科學新興的前沿發展領域，但領域內仍有許多基礎問題亟待梳理與回答。例如，單原子催化劑是否擁有比納米顆粒表面原子具有更高的活性？為何將同一金屬原子分散于不同載體所得到的單原子催化劑的活性會有很大差別？單原子催化劑的活性中心局限于單原子中心嗎？最近一項研究揭示了單原子催化劑的金屬氧化物載體除了扮演穩定催化金屬中心的配體角色以外，其上與單原子分散金屬中心鄰近的金屬原子還有可能直接參與反應物的活化、參與催化反應，形成提升催化性能的顯著鄰近效應。相關研究結果以題為“A vicinal effect for promoting catalysis of Pd₁/TiO₂: supports of atomically dispersed catalysts play more roles than simply serving as ligands”的論文發表于2018年第11期 Science Bulletin（封面文章），由廈門大學鄭南峰教授擔任通訊作者撰寫。

研究者在前期工作（Science, 2016, 352: 797-800）的基礎上，深入考察了兩種具有不同微觀配位結構的單原子鈀催化劑（負載于不同表面性質的TiO₂載體上），發現盡管它們的電子性質非常相近，但催化性能卻差別巨大。通過系統實驗和理論研究，作者發現，在TiO₂負載的單原子鈀催化劑中，鈀周邊所形成的Pd-O-Ti(III)原子級界面可以在室溫條件下有效活化氧氣形成超氧離子，使催化劑擁有優越的低溫催化氧化一氧化碳活性，在溫室氣體（如甲烷）和揮發性有機污染物（如甲苯）的氧化消除中也表現優異。相關研究的難度主要在于Pd-O-Ti(III)原子級界面的結構表征，通過與中科院物理所（原子分辨能量損失譜），上海光源和加拿大達爾豪斯大學（X射線吸收）的合作，該研究團隊很好地實現了相關催化界面的原子分辨表征，為深入理解其中的催化分子機制提供了重要保障。

【圖文導讀】

圖1 在TiO₂負載的單原子鈀催化劑中，Pd-O-Ti(III)原子級界面快速地活化O₂形成超氧離子，從而促進CO的催化氧化

【小結】

該項研究結果很好地展示了單原子催化劑的活性中心不局限于單原子分散的金屬中心，與其相鄰的載體金屬原子亦有可能直接參與催化反應。換言之，單原子催化劑的金屬氧化物載體也有可能成為催化活性位點的重要部分。因此，在設計高效的單原子催化劑時，需要考慮金屬前驅體、載體和制備條件對催化劑微觀結構的影響。這一研究結果很好地回答了單原子催化領域一個有爭議性的問題：為何基于同種活性金屬元素的單原子催化劑在相同催化反應中表現出完全不同的性能？同時，催化領域中觀察到的一些現象也可以從載體的鄰近效應去理解，例如堿金屬離子的助催化作用、催化反應前預還原處理等。相關研究發現為理性設計合成高效的單原子催化劑提供了重要理論指導，也將推動單原子催化劑的深層次機理研究。

文獻鏈接：A vicinal effect for promoting catalysis of Pd₁/TiO₂: supports of atomically dispersed catalysts play more roles than simply serving as ligands（Sci. Bull., 2018, doi: 10.1016/j.scib.2018.03.002）

本文由Science Bulletin編輯部供稿，材料牛整理編輯。

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