北京
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研究内容
对双金属催化剂协同效应的基本理解在多相催化中具有极其重要的意义，但精确构建均匀的双金属位点仍就面临着巨大挑战。
西北工业大学任煜京、覃勇、电子科技大学杨娜和德国莱布尼兹研究所Haifeng Qi开发了一种构建Pt1-Fe1/ND双单原子催化剂的新方法，通过将Pt单原子锚定在Fe1-N4位点修饰的纳米金刚石（ND）表面上。使用该催化剂，揭示了硝基芳烃选择性加氢的协同作用。氢在Pt1-Fe1双位点上被活化，硝基通过垂直构型强烈吸附在Fe1位点上，用于随后的氢化。这种协同效应降低了活化能，并产生了优异的催化性能（3.1 s-1的转换频率，约100%的选择性，24种底物的适应性）。相关工作以“Atomic Insights into Synergistic Nitroarene Hydrogenation over Nanodiamond-Supported Pt1-Fe1Dual-Single-Atom Catalyst”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。
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研究要点
要点1.作者开发了一种构建双单原子催化剂的有效方法，通过使用Fe1-N4单原子位点修饰的纳米金刚石表面来锚定Pt单原子，进一步通过像差校正的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（AC-HAADF-STEM）图像分析、X射线吸收精细结构（XAFS）光谱模拟和X射线光电子能谱（XPS）光谱拟合证实了在纳米金刚石表面上形成了杂核Pt1-Fe1双单原子位点（Pt1-Fe1/ND）。
要点2.利用这种Pt1-Fe1双位点，作者在原子水平上揭示了硝基芳烃化学选择性加氢的协同催化作用。结果显示，Pt1-Fe1双位点上的协同效应导致硝基芳烃加氢中前所未有的催化性能（3.1 s-1转换频率，~100%选择性，24种底物适应性）。
要点3.综合实验结果和密度泛函理论计算表明，氢在Pt1-Fe1位点被活化，硝基在Fe1位点上被优先吸附和活化。尽管Pt1-Fe1位点对Pt NP对应物的氢活化能力稍差，但硝基在Fe1位点上的垂直吸附构型和较强的吸附能使Pt1-Fe1位点更容易选择性活化硝基。
作者的发现不仅推进了双单原子催化剂在选择性加氢中的应用，而且为探索原子水平上协同催化的性质开辟了一条新的途径。
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研究图文
图1. Pt1-Fe1/ND催化剂的制备示意图和HAADF-STEM。
图2. Pt1-Fe1/ND、Fe1/ND和PtNP/ND样品的AC-HAADF-STEM和配位环境表征结果。
图3. Pt1-Fe1/ND、Fe1/ND和PtNP/ND样品的电子结构。
图4. Pt1-Fe1/ND和PtNP/ND催化剂上p-NB加氢动力学实验。
图5. AIMD模拟。
图6. 催化加氢过程的机理。
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文献详情
Atomic Insights into Synergistic Nitroarene Hydrogenation over Nanodiamond-Supported Pt 1 -Fe 1 Dual-Single-Atom Catalyst
Pengcheng Deng, Jianglin Duan, Fenli Liu, Na Yang,* Huibin Ge, Jie Gao, Haifeng Qi,* Dan Feng, Man Yang, Yong Qin,* Yujing Ren,*
Angew. Chem. Int. Ed.
DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202307853
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