姚传好/李隽/张淳/杜永华/吕炯等Nature子刊：原子精准掺杂调控的单团簇固氮催化剂- 大数跨境

首页

姚传好/李隽/张淳/杜永华/吕炯等Nature子刊：原子精准掺杂调控的单团簇固氮催化剂

科学材料站

2020-09-09

导读：该工作提出了一种可控合成精准掺杂的单团簇催化剂的策略，该催化剂由负载在缺陷石墨烯上的部分配体保护的Au4Pt2团簇组成。研究结果显示这种双金属单团簇催化剂（Au4Pt2/G）具有出色的电化学固氮活性。

文章信息

原子精准掺杂调控的单团簇固氮催化剂

第一作者：姚传好，郭娜，席识博，许聪俏

通讯作者：李隽*，张淳*，杜永华*，吕炯*

单位：新加坡国立大学，清华大学，美国布鲁克海文国家实验室

研究背景

精准设计双金属单团簇催化剂(Single-Cluster Catalyst)，为调控其催化性能提供了令人振奋的机会。然而，制备具有原子水平精准控制掺杂的单分散双金属团簇催化剂一直是一项重大的挑战。

文章简介

近日，新加坡国立大学吕炯，张淳，清华大学李隽与美国布鲁克海文国家实验室的杜永华等合作，在国际顶级期刊Nature Communications上发表题为“Atomically-precise dopant-controlled single cluster catalysis for electrochemical nitrogen reduction”的研究工作。

该工作提出了一种可控合成精准掺杂的单团簇催化剂的策略，该催化剂由负载在缺陷石墨烯上的部分配体保护的Au4Pt2团簇组成。研究结果显示这种双金属单团簇催化剂（Au4Pt2/G）具有出色的电化学固氮活性。

机理研究表明，氮气分子在团簇和石墨烯之间的限域区内被激活。杂原子掺杂剂通过增强向氮气LUMO的电子反馈在氮气的活化中起着不可或缺的作用。另外，用作载体的缺陷石墨烯也发挥了非常关键的作用，除了锚定催化剂之外，还可调节催化剂的费米能级，使得它足够靠近氮分子的LUMO，从而能够激活N2。

此外，除杂原子Pt外，还可以通过使用Pd代替Pt作为掺杂剂来进一步调节单团簇催化剂的催化性能。

要点解析

要点一：本文设计了一种简便的方法，用于合成超细双金属Au4Pt2/G 单团簇催化剂，通过锚定在石墨烯缺陷上的部分配体保护的六金属原子（Au4Pt2）八面体簇，实现电化学固氮。

要点二：通过热处理去除了Au4Pt2(SR)8的部分配体，使团簇锚定在石墨烯的空位缺陷处，从而形成了对固氮具有良好催化性能的Au4Pt2/G单团簇催化剂。这种合成策略不仅可以实现Au4Pt2/G的制备，还可以在保持团簇结构不变的前提下，制备Pd代替Pt的Au4Pd2/G催化剂。

要点三：发现在更低的电位下Au4Pd2/G 的催化性能优于Au4Pt2/G，这表明可以凭借精准原子掺杂调控超细双金属单团簇的催化性能，实现原子水平上结构-性质相关性的精准调控。

文章链接

Atomically-precise dopant-controlled single cluster catalysis for electrochemical nitrogen reduction

https://www.nature.com/articles/s41467-020-18080-w

第一作者介绍

姚传好博士，西北工业大学教授

2004年安庆师范大学学士，2012年北京工业大学硕士，2016年中国科学院大学博士，随后在中国科学院固体物理研究所任助理研究员，2017至2019年在新加坡国立大学化学系吕炯教授课题组从事博士后研究。2019回国入职西北工业大学。课题组主要聚焦低维金属材料在光电，催化相关领域的应用，开展超细金属团簇材料的合成、表征、功能化与应用研究。主要研究包括：（1）设计和合成原子精确可控的金属/合金团簇，研究其结构与本征特性之间的构-效关系。（2）金属单原子/团簇作为催化剂在能源转化领域的应用。相关成果在Nat. Commun., J Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Lett., ACS Catal., J Mater. Chem. A等学术期刊。

课题组招聘

姚传好教授课题组热忱欢迎具有材料、化学、柔性电子相关背景的本科生、研究生报考。课题组常年招收相关专业的副教授、助理教授和博士后，优秀博士后基本年薪不低于20万。西工大极其优质的基础教育资源（西工大附中、附小、附幼）能很好地解决各类人才子女入学入托问题。

共同一作介绍

郭娜博士，新加坡国立大学物理系和化学系博后。

2001年吉林大学化学系理学学士，2004年吉林大学化学系物理化学硕士，2010年美国特拉华大学化学与生物化学系计算化学与理论化学博士。2012年加入张淳教授组从事博士后研究。科研工作主要通过理论建模和计算机模拟研究低维纳米材料（二维、一维材料以及纳米团簇）在催化（包括电催化）及分子量子器件中的应用。研究邻域包括纳米催化，单原子催化，二维功能材料的设计和应用，分子电子学，自旋电子学，以及与实验组在以上各方向的深度合作。

席識博博士，新加坡科技研究局研究科學家，新加坡同步輻射實驗室XAFCA實驗站束綫科學家

2006年四川大學理學學士，2012年，中國科學院高能物理研究所博士研究生畢業，獲理學博士學位；2012年至今擔任新加坡科技研究局研究科學家。在研究生和工作期間，從事同步輻射束綫的建設，維護和優化工作，並設計製作了適用於多種催化反應機理研究的原位X射綫吸收譜實驗裝置。並致力於吸收譜數據的處理，解釋以及基於DFT的模擬計算。和新加坡國内外的各個科研機構開展廣汎合作，進行了各種催化機理的研究工作。相關成果發表在Nature Catalysis, Nature Energy，Nature Mater., Nature Commun.，Science Adv., Angew. Chem.，J. Am. Chem. Soc等期刊。

许聪俏博士，南方科技大学研究助理教授

2012年于北京化工大学高分子材料与工程专业获学士学位，2017年在清华大学化学系获博士学位，2015-2016年在美国西北太平洋国家实验室进行访问研究，2017-2019年在清华大学物理系从事博士后研究，2019年7月起担任南方科技大学化学系研究助理教授。主要研究方向：采用量子化学方法进行小分子、团簇和无机材料的结构、成键、磁/光学性质及催化性质的理论研究。

通讯作者介绍

李隽博士，教授，博士生导师

教育部长江学者特聘教授，国家科学基金获得者, 美国科学促进会(AAAS)会会士。1992年毕业于中国科学院福建物质结构研究所获博士学位；1994-1997年在德国西根大学和美国俄亥俄州立大学化学系从事博士后研究；1997-2001在美国俄亥俄州立大学担任研究科学家（Research Scientist）；2001年取得美国西北太平洋国家实验室终身职位，担任高级研究科学家（Senior Research Scientist）, 后晋升为资深科学家（Chief Scientist）。2004年入选清华大学“百名人才引进计划”，担任化学系理论中心主任。长期从事量子化学、理论重元素化学和计算催化化学等领域的研究工作，已发表SCI学术论文380余篇，引用超过25000次。

张淳博士，新加坡国立大学副教授，博士生导师

1996年复旦大学应用物理学士，2000年复旦大学理论物理硕士，2004年佛罗里达大学计算物理博士，2005-2008年间在佐治亚理工物理学院从事博士后研究。2008至2014年任职于新加坡国立大学物理和化学系助理教授，2015年1月晋升副教授。研究领域包括第一性原理量子计算的理论开发，低维材料的电子结构、物理和化学性质，分子尺度电子、自旋器件的机理和设计，以及纳米和原子尺度上的催化机理。

杜永华博士，美国布鲁克海文国家实验室

2001年山东大学学士，2007年毕业于中国科学院高能物理研究所，获理学博士学位。2007年-2009年在中国科学院高能物理研究所从事博士后研究。2009年加入新加坡科技研究局化学与工程科学研究院，作为首席束线科学家，负责一条同步辐射x射吸收精细结构（XAFS）光束线设计、建设、运行及应用等。2019取得美国布鲁克海文国家实验室终身职位，负责8-BM中能x射线谱学光束线。长期从事XAFS方法学、同步辐射光束线方法学、及同步辐射技术在材料、能源、催化、环境等领域的应用。

吕炯博士，新加坡国立大学助理教授，博士生导师

2007年复旦大学理学学士，2011年，新加坡国立大学博士研究生毕业, 获理学博士学位；2011-2014年间在新加坡国立大学, 美国加州大学伯克利分校从事博士后研究。2015年，新加坡国立大学化学系助理教授。课题组主要利用新一代扫描隧道显微并结合原子力显微技术，从事单分子，单元子，低维材料的物理化学性质研究。在此基础上，同时发展了扫描探针显微技术直接用于研究单分子，二维材料相关器件，并实现了精确调控单分子的电荷和自旋及其二维材料能带和激子效应。课题组也致力于研究发展基于二维材料载体，原子级精确的单元子和单团簇新型催化剂。相关成果发表在Nature Nanotech., Nature Mater., Nature Commun.，Science Adv., Angew. Chem.，J. Am. Chem. Soc等期刊。