氫氣具有能量密度高及經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，但氫氣的存儲(chǔ)和運(yùn)輸一直是阻礙氫能規(guī)模應(yīng)用的瓶頸。利用液態(tài)有機(jī)儲(chǔ)氫介質(zhì)（LOHC），例如環(huán)己烷、十二氫咔唑等脫氫反應(yīng)可以制氫，結(jié)合其反向加氫反應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)氫氣的可逆儲(chǔ)放和高效輸運(yùn)。由于LOHC脫氫過(guò)程的活性催化組分主要是貴金屬催化材料，因此通過(guò)最大限度地提高貴金屬利用率來(lái)增強(qiáng)其催化性能具有重要的科學(xué)意義和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
研究團(tuán)隊(duì)在富缺陷石墨烯包覆的納米金剛載體(ND@G)載體表面，精準(zhǔn)構(gòu)建孤立的原子級(jí)分散鉑單原子（Pt1）、不同尺寸的全暴露鉑團(tuán)簇（Ptn）以及傳統(tǒng)的鉑納米顆粒（Ptp）。在環(huán)己烷脫氫制氫反應(yīng)中，盡管Pt1具有最高的金屬原子利用效率，但即使在553 K下仍然沒(méi)有活性。相比之下，亞納米尺度全暴露Ptn團(tuán)簇和Ptp納米顆粒催化材料都能催化這一脫氫反應(yīng)發(fā)生，但較大的Pt納米顆?；钚暂^低，而亞納米尺度完全暴露的Ptn 團(tuán)簇催化材料（平均Pt–Pt配位數(shù)約為2–3），顯示出最佳的催化脫氫性能。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)Pt催化材料的活性差異主要來(lái)自C-H鍵活化過(guò)程中有限但連續(xù)的多位點(diǎn)集團(tuán)效應(yīng)（如圖1所示）。
在上述研究工作基礎(chǔ)之上，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在十二氫咔唑脫氫制氫反應(yīng)中，亞納米尺度全暴露Pdn團(tuán)簇催化材料亦表現(xiàn)出優(yōu)異的脫氫制氫性能。同時(shí)基于不同Pd物種對(duì)CO吸附模式的差異性，通過(guò)紅外光譜對(duì)不同催化劑表面Pd的分散狀態(tài)進(jìn)行了定量描繪，估計(jì)出不同結(jié)構(gòu)Pd物種在催化劑中的比例，并結(jié)合X射線吸收譜分析結(jié)果，建立不同尺度Pd物種的平均配位數(shù)與本征活性TOF之間的構(gòu)效關(guān)系，結(jié)果表明高活性亞納米尺度Pdn 金屬團(tuán)簇具有有利于活化反應(yīng)物分子的金屬集團(tuán)位點(diǎn)以及抑制產(chǎn)物強(qiáng)吸附行為的特點(diǎn)（如圖2所示）。上述發(fā)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)新一代亞納米尺度高效制氫金屬催化材料提供重要的科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。
同時(shí)，劉洪陽(yáng)研究團(tuán)隊(duì)將亞納米尺度金屬催化材料的設(shè)計(jì)理論用于指導(dǎo)實(shí)際工業(yè)催化劑的生產(chǎn)，成功開發(fā)二硝基甲苯加氫低含量鈀基催化劑，2021年在中化集團(tuán)滄州大化12萬(wàn)噸催化加氫工藝中實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)300余天，受到企業(yè)的充分認(rèn)可（如圖3所示），助力企業(yè)降低生產(chǎn)成本、低碳減排。
上述工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、基金委重大研究計(jì)劃、基金委企業(yè)聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、基金委國(guó)際合作中港聯(lián)合基金、遼寧省興遼英才計(jì)劃、中科院建制化科研項(xiàng)目、國(guó)研中心青年人才項(xiàng)目、所創(chuàng)基金培育項(xiàng)目、中國(guó)博士后面上基金與企業(yè)合作項(xiàng)目提供的支持以及上海、北京光源的大力支持。
