大連化物所張濤團隊：單原子催化劑研究取得新進展

【成果簡介】

近日，中國科學院大連化學物理研究所航天催化與新材料研究中心的中科院院士張濤和研究員王愛琴團隊在單原子催化劑研究領域取得新進展，制備出單原子分散的Fe-N-C催化劑，并將其應用于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“Discriminating Catalytically Active FeNx Species of Atomically Dispersed Fe–N–C Catalyst for Selective Oxidation of the C–H Bond”發表于?Journal of the American Chemical Society上。

【圖文導讀】

圖1 HAADF-STEM圖像及元素映射

Fe-N-C-600（a），Fe-N-C-700（b），Fe-N-C-800（c）的HAADF-STEM圖像和Fe-N-C-700（d）的元素映射

圖2 Fe-N-C樣品的圖譜分析

Fe-N-C樣品的XPS Fe 2p（a）和N 1s（b）光譜

【研究內容】

M-N-C催化劑（M代表Fe、Co、Ni等）被廣泛應用于電化學反應（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。但由于M-N-C催化劑的組成較為復雜，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于避免了M⁰、MO_x、MC_x等納米顆粒的干擾，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，并確定其結構為CoN₄C₈-1-2O₂（Chem. Sci., 2016, 7, 5758-5764）。在此基礎上，該團隊又成功制備出單原子分散的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、M?ssbauer、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（FeN_x, 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，這對于后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。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201708/t20170803_4610530.shtml

文獻鏈接：Discriminating Catalytically Active FeNx Species of Atomically Dispersed Fe–N–C Catalyst for Selective Oxidation of the C–H Bond（JACS,2017,DOI: 10.1021/jacs.7b05130）

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