清华大学李亚栋院士/王定胜教授Nat Chem：氮掺杂碳上铱单原子催化剂用于甲酸氧化的通用主客体策略- 大数跨境

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清华大学李亚栋院士/王定胜教授Nat Chem：氮掺杂碳上铱单原子催化剂用于甲酸氧化的通用主客体策略

科学材料站

2020-06-26

导读：本文报道了一种通用的主客体策略，可以在掺氮碳（M1/CN，M = Pt，Ir，Pd，Ru，Mo，Ga，Cu，Ni，Mn）上制备各种金属单原子催化剂。在这些金属SACs材料中，研究人员发现Ir1/CN具

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导读

单原子催化剂不仅可以最大程度地提高金属原子效率，而且还显示出与纳米颗粒相当的特性，这使其成为一种有前途的材料。

近日，清华大学李亚栋院士，王定胜副教授等在国际知名期刊Nature Chemistry上发表题为“Iridium single-atom catalyst on nitrogen-doped carbon for formic acid oxidation synthesized using a general host–guest strategy”的论文。Zhi Li, Yuanjun Chen, Shufang Ji为本文共同第一作者。

图1. 图片概要

具体而言，本文报道了一种通用的主客体策略，可以在掺氮碳（M1/CN，M = Pt，Ir，Pd，Ru，Mo，Ga，Cu，Ni，Mn）上制备各种金属单原子催化剂。在这些金属SACs材料中，研究人员发现Ir1/CN具有较高的催化活性。

研究发现，Ir1/CN电催化甲酸氧化反应的质量活性为129 A mgIr-1，而Ir/C纳米粒子催化剂几乎为惰性催化剂（48×10-3 A mgIr-1)。同时，IR1/CN的活性也分别是Pd/C和Pt/C的16倍和19倍。此外，Ir1/CN对CO中毒表现出较高的耐受性。

研究人员基于第一性原理密度泛函理论揭示了Ir1/CN的性质来源于铱中心的空间隔离和铱相对于传统纳米颗粒催化剂的电子结构的修饰。

背景简介

1. 单原子催化剂

单原子催化剂（SACs）由于其最大限度地利用金属，并具有可定制的、均匀的金属活性位点，因而近年来受到了广泛关注。SACs的金属原子利用率接近100%，这对贵金属催化剂驱动的工业、环境和能源转化应用非常有利。相比于传统的纳米颗粒催化剂，SACs往往表现出不同的化学性质和反应途径。这种差异是由于金属与载体上的连接原子之间的电子转移导致SACs中的金属位点通常带有部分正电荷。部分带正电的金属位点具有较低的电子密度，因此改变了金属-反应物种的相互作用。更重要的是，可以进一步利用SACs中金属原子的空间隔离，改变反应中间体的吸附模式，防止相邻金属位点进行副反应。

2. 直接甲酸燃料电池的现状

直接甲酸燃料电池（DFAFCs）是一种体积小、重量轻、寿命长的便携式电源，具有与当前电池技术竞争的潜力。开发稳定的阳极甲酸氧化反应（FAOR）催化剂是制备商业化DFAFCs的关键。Pd基和Pt基纳米晶是迄今为止最高效的FAOR催化剂；然而，它们的低质量活性和易受CO中毒性严重阻碍其广泛的商业应用。

先前提高FAOR效率的工作主要集中在

（1）用其他元素（如金、铋、铜、镍和锡）修饰变钯/铂的电子结构，

（2）控制Pd/Pt纳米晶的形状和暴露面；

（3）制备空心/框架/超薄高比表面积Pd/Pt纳米结构。

这些策略有效地提高了Pd和Pt的催化活性和耐用性。然而，在开发一种优于目前Pd和Pt基材料的新型催化体系方面进展甚微。

3. 研究机遇

鉴于金属铁和钴纳米颗粒对ORR不起作用，而氮掺杂碳上的金属单原子（M1/CN）是非常稳定且具有高活性的，我们推测是否有一种M1/CN催化剂能够有效地催化FAOR。M/CN催化剂是近年来研究的热点，但对FAOR具有显著性能的M/CNs还没有系统的开发。

核心内容

本文利用一种通用的主客体策略，在掺氮碳（M1/CN，M = Pt，Ir，Pd，Ru，Mo，Ga，Cu，Ni，Mn）上制备了各种金属单原子催化剂。这些金属SACs材料中，研究人员发现Ir1/CN具有较高的电催化甲酸氧化活性。

研究人员基于第一性原理密度泛函理论揭示了Ir1/CN的性质来源于铱中心的空间隔离和铱相对于传统纳米颗粒催化剂的电子结构的修饰。

Ir1/CN作为一种高效FAOR催化剂，不仅促进了DFAFCs的发展，而且鼓励人们探索SAC材料，寻找传统纳米材料所不具备的有用性质。

图二. Ir1/CN的合成与结构表征

a, A scheme of the host–guest strategy for the fabrication of isolated metal single-atom-site catalysts.

b, A HAADF-STEM image of a rhombododecahedron-shaped Ir1/CN.

c, Energy-dispersive X-ray elemental mapping of Ir1/CN, suggesting that iridium, nitrogen and carbon were homogeneously distributed in Ir1/CN.

d,e, A high-resolution HAADF-STEM image (d) of Ir1/CN (enlarged in e) indicating that iridium species were atomically dispersed on CN. Iridium single atoms are highlighted by white circles.

f, FT-EXAFS spectra of Ir1/CN and iridium powder at the iridium L3-edge, showing the atoms adjacent to the iridium atoms. R, radial distribution function. The inset is the schematic model of Ir1/CN: cyan, iridium; blue, nitrogen; grey, carbon.

g, XANES of Ir1/CN, iridium powder, and IrO2 at the iridium L3-edge.

文章链接:

Iridium single-atom catalyst on nitrogen-doped carbon for formic acid oxidation synthesized using a general host–guest strategy

https://www.nature.com/articles/s41557-020-0473-9

导师简介:

李亚栋院士教授博士生导师，

教育部长江特聘教授无机化学研究所所长，化学系学术委员会主任。

主要从事无机纳米材料合成化学研究。提出了纳米晶“液相－固相－溶液”界面调控机制，实现了不同类型纳米晶的可控制备；将水热、溶剂热合成技术成功应用于新型一维纳米材料的合成，实现了金属铋、钛酸盐、硅酸盐、钒酸盐、稀土化合物等纳米线、纳米管的制备，揭示了液相条件下纳米晶的取向生长规律性；提出金属间化合物、合金表观电负性概念及其计算经验公式，建立了比传统高温合成金属间化合物、合金材料低400－500度的低温合成方法。曾获国家自然科学奖二等奖等奖励。

信息来源：http://ren.bytravel.cn/history/2/liyadong.html

王定胜副教授

2004年于中国科学技术大学化学物理系获理学学士学位。2009年于清华大学化学系获理学博士学位。2009至2012年在清华大学物理系从事博士后研究。2012年7月加入清华大学化学系，被聘为讲师，2012年12月，晋升为副教授。2015年获博士生导师资格。

研究领域为无机纳米材料化学，自2009年博士毕业以来，一直以无机纳米合成化学为基础，主要从事金属纳米晶、团簇及单原子为主的无机功能纳米材料的合成、结构调控与催化性能研究。2012年获全国优秀博士学位论文奖。2013年获国家优秀青年科学基金。2018年获青年拔尖。近三年发表学术论文48篇，含1篇Proc. Natl. Acad. Sci.、1篇Sci. Adv.、5篇Nature Commun.、7篇J. Am. Chem. Soc.、6篇Angew. Chem. Int. Ed.、6篇Adv. Mater.、1篇Energy Environ. Sci.、1篇Joule等。

信息来源：http://www2.scut.edu.cn/cese/2019/0708/c1504a327277/page.htm