碳載單原子催化劑近來在多相催化領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注，因為碳載體獨特的物理化學(xué)性質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)單原子的高效負(fù)載，同時雜原子的摻雜可以修飾單原子的配位環(huán)境，從而調(diào)節(jié)反應(yīng)活性。然而最大限度地提高單原子利用率是非常具有挑戰(zhàn)性的，這是因為合成過程中大量單原子被嵌入到碳基底或微孔孔道中，在催化過程中由于傳質(zhì)限制而失去作用。因此設(shè)計合成具有介孔孔道的氮摻雜碳球作為載體是增加活性位點暴露和提高原子利用效率的一種非常有效的方法。
圖1. 氮摻雜介孔碳球負(fù)載Pd單原子催化劑的制備流程圖以及電鏡表征圖：(b-e) Pd-NCs@NMPS；(f-i) Pd1/NMCS
近日，青島能源所王光輝研究員帶領(lǐng)的多孔催化材料研究組開發(fā)了一種限域熱轉(zhuǎn)化策略合成了氮摻雜介孔碳球負(fù)載的單原子催化劑。此策略首先采用軟模板法合成了以金屬納米簇為核、介孔聚合物為殼的核-殼型介孔聚合物球（M-NCs@NMPS），隨后經(jīng)限域熱轉(zhuǎn)化過程將其轉(zhuǎn)化為氮摻雜介孔碳球負(fù)載的單原子催化劑（M1/NMCS）。在核-殼型介孔聚合物球熱解過程中，金屬納米簇在氨氣氛圍下于氮摻雜介孔碳球內(nèi)部遷移、并激發(fā)出金屬原子，隨后被氮摻雜介孔碳球上的缺陷捕獲，形成穩(wěn)定的單原子。由于金屬的熱轉(zhuǎn)化過程發(fā)生在氮摻雜介孔碳球的內(nèi)部，因此避免了金屬的損失。從材料合成的角度來看，該合成過程簡單易操作，具有放大生產(chǎn)的潛力，可以成功制備出具有高孔隙度、高氮含量的Pd和Pt單原子催化劑。所得催化劑中的介孔結(jié)構(gòu)有利于反應(yīng)傳質(zhì)和活性位點的暴露，同時豐富的氮物種可以作為錨定位點捕獲和穩(wěn)定金屬原子。得益于此結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，所得的催化劑比微孔碳球負(fù)載的單原子催化劑表現(xiàn)出對喹啉加氫更優(yōu)的活性，同時選擇性可達(dá)99%，重復(fù)使用五次催化活性沒有明顯變化。
上述工作發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》雜志上（DOI: 10.1039/D1TA08365A），第一作者是青島能源所的田正斌博士研究生，通訊作者是青島能源所的王光輝研究員。該工作得到國家自然科學(xué)基金，所內(nèi)合作基金等項目的資助。
原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta08365a
Zhengbin Tian, Wenquan Wang, Yan Zheng and Guang-Hui Wang. Confined thermal transformation strategy to synthesize single atom catalysts supported on nitrogen-doped mesoporous carbon nanospheres for selective hydrogenation. Journal of Materials Chemistry A, 10.1039/D1TA08365A.
