單位點(diǎn)催化劑的簡(jiǎn)便構(gòu)筑方法、原理及性能研究

劉忠范

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

Pt1/hNCNC單位點(diǎn)催化劑的形貌與氫析出性能：(a) HAADF-STEM照片；(b) EXAFS圖譜，其中Pt/hCNC表示通過(guò)相同方法在未摻雜碳納米籠上構(gòu)建的催化劑，Pt-NPs/hNCNC表示hNCNC負(fù)載的Pt納米粒子催化劑，Pt1/hNCNC和Pt/hCNC中Pt載量均為2.92% (w，質(zhì)量分?jǐn)?shù))；(c)氫析出線性掃描伏安譜，其中Pt1/hNCNC后接數(shù)值表示Pt載量(%)；(d)氫析出穩(wěn)定性，Pt1/hNCNC和Pt/hCNC中Pt載量均為2.92% (w)，Pt/C中Pt載量為20% (w)。

單位點(diǎn)催化劑(文獻(xiàn)中也時(shí)常稱為單原子催化劑)是負(fù)載型催化劑的極限，因其最大的原子利用率、獨(dú)特的催化性能、均一的配位環(huán)境等特點(diǎn)成為近年來(lái)科學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)1。金屬單原子表面能高，容易團(tuán)聚，其制備過(guò)程通常較為復(fù)雜，因此，方便地構(gòu)建穩(wěn)定性高的單位點(diǎn)催化劑對(duì)于開展相關(guān)基礎(chǔ)或應(yīng)用研究均意義重大2-4。

近年來(lái)，南京大學(xué)胡征教授領(lǐng)銜的能源納米材料物理化學(xué)課題組發(fā)展了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)路線，開發(fā)出具有新穎介觀結(jié)構(gòu)、高比表面積、微孔-中孔-大孔共存、便于摻雜調(diào)變的碳基納米籠新材料，展現(xiàn)出一系列十分優(yōu)異的能源轉(zhuǎn)化及儲(chǔ)存性能5-7。本項(xiàng)研究中，他們以氮摻雜碳納米籠(hNCNC)作載體，利用籠壁上豐富的微孔(～0.6 nm)易于捕獲金屬配位陰離子、摻雜氮原子利于錨定金屬原子的協(xié)同作用，通過(guò)最簡(jiǎn)單的浸漬-吸附-烘干(70 °C)過(guò)程，制得了M1/hNCNC (M = Pt、Pd、Au、Ir等)單位點(diǎn)貴金屬催化劑。Pt1/hNCNC催化劑的Pt載量可高達(dá)5.68% (w，質(zhì)量分?jǐn)?shù))，在酸性介質(zhì)中表現(xiàn)出極低的氫析出過(guò)電位、超高的質(zhì)量活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性(見上圖)。通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究揭示了Pt單位點(diǎn)催化劑的形成機(jī)制及其優(yōu)異穩(wěn)定性的根源。本項(xiàng)研究揭示的微孔捕獲和雜原子錨定的協(xié)同作用為方便構(gòu)建高穩(wěn)定單位點(diǎn)催化劑提供了新的思路和方法，對(duì)于促進(jìn)單位點(diǎn)催化劑的基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用具有重要價(jià)值。相關(guān)論文最近發(fā)表于Nature Communications雜志上8。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部納米重大研究計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。