第一作者：Shengjie Wei
通訊作者：Yadong Li, Zhi Li
通訊單位：清華大學(xué)
研究亮點(diǎn)：
1. 發(fā)現(xiàn)貴金屬納米顆粒可以直接高溫轉(zhuǎn)化成高度熱穩(wěn)定的單原子。
2. 利用原位環(huán)境電鏡實(shí)時觀測了動態(tài)轉(zhuǎn)化過程。
3. 利用DFT計(jì)算深入剖析了動態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)理。
天下有鹿，群雄共逐之。當(dāng)今催化領(lǐng)域，單原子催化劑便是最大的一頭鹿。
貴金屬單原子催化劑催化劑具有超高的催化活性，但是在實(shí)際高溫反應(yīng)中，由于金屬表面自由能的降低，往往容易燒結(jié)團(tuán)聚，失去活性。如何構(gòu)建具有熱穩(wěn)定性的單原子催化劑，成為各路英雄的心頭大事。
有鑒于此，清華大學(xué)李亞棟院士和Zhi Li團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種從貴金屬納米顆粒直接高溫轉(zhuǎn)化成高度熱穩(wěn)定的貴金屬單原子催化劑的現(xiàn)象。
圖1. Pd納米顆粒高溫轉(zhuǎn)化成單原子的過程及表征
研究人員利用MOF衍生的N-摻雜的碳材料作為錨定基底，發(fā)現(xiàn)在900℃惰性氛圍中持續(xù)3h，Pd、Pt或Au等貴金屬納米顆粒可以直接轉(zhuǎn)變成Pd、Pt或Au單原子，并通過原位環(huán)境透射電鏡實(shí)現(xiàn)了對動態(tài)變化過程的實(shí)時觀察，球差矯正電鏡和X-射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜證明了單原子的分散狀態(tài)。
原位觀測發(fā)現(xiàn)，納米顆粒-單原子的動態(tài)轉(zhuǎn)化過程中存在聚集化和原子化的競爭。DFT計(jì)算表明，在這種高溫動態(tài)轉(zhuǎn)化過程中，移動的Pd原子被N-摻雜的碳材料捕獲后，會形成更加熱力學(xué)穩(wěn)定的Pd-N4結(jié)構(gòu)。
乙炔半氫化制乙烯反應(yīng)表明，這種Pd單原子催化劑不僅具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，而且比Pd納米顆粒具有更有優(yōu)異額的催化活性和選擇性。
圖2. Pt和Au納米顆粒轉(zhuǎn)化成單原子的表征
圖3. DFT計(jì)算動態(tài)轉(zhuǎn)化過程
圖4. 各種Pd催化劑的乙炔半氫化性能對比
圖5. DFT計(jì)算乙炔半氫化過程
總之，這項(xiàng)研究為開發(fā)具有高度熱穩(wěn)定性的貴金屬單原子催化劑開辟了新的、普適性的道路！
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參考文獻(xiàn)：
ShengjieWei, Ang Li, Jin-Cheng Liu, Zhi Li, Yadong Li et al. Direct observation ofnoble metal nanoparticles transforming to thermally stable single atoms. NatureNanotechnology 2018.
https://www.nature.com/articles/s41565-018-0197-9
