张兵教授、周伟副教授、黄义研究员，JMCA综述：单原子催化剂用于热催化和电催化加氢反应- 大数跨境

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张兵教授、周伟副教授、黄义研究员，JMCA综述：单原子催化剂用于热催化和电催化加氢反应

科学材料站

2021-11-11

导读：该文章总结了单原子催化剂独特的几何结构和电子结构，以及构建高性能单原子催化剂的一般设计原则。

文章信息

单原子催化剂用于热催化和电催化加氢反应

第一作者：张競方

通讯作者：黄义研究员*、周伟副教授*、张兵教授*

单位：河北农业大学、华中师范大学、天津大学

研究背景

选择性催化氢化反应是当代合成化学领域所关注的富有挑战性的研究课题之一。单原子催化剂由于其原子利用率高、催化活性高、选择性强等优点，已成为极具吸引力的催化剂之一。本文综述了近年来单原子在热催化和电催化加氢反应方面的研究进展，为设计合成高效的单原子加氢催化剂提供思路和指导。

文章简介

在这里，来自河北农业大学的张競方副教授与华中师范大学黄义研究员、天津大学的周伟副教授、张兵教授合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为Single-atom catalysts for thermal- and electro-catalytic hydrogenation reactions的综述文章。

该文章总结了单原子催化剂独特的几何结构和电子结构，以及构建高性能单原子催化剂的一般设计原则。重点介绍了它们在有机化合物热催化加氢反应和以硝酸根电还原反应为代表的电催化加氢反应中的应用，阐述了影响催化活性和选择性的潜在因素，并从分子水平阐明了其潜在机理。最后，指出了单原子催化剂在今后加氢反应领域的主要挑战和机遇。

图1. 单原子催化剂用于热催化和电催化加氢反应示意图

文章要点

要点一：单原子催化剂独特的性质和设计原则

当金属的尺寸从块体减小到单个原子时，其几何结构和电子结构会发生强烈的变化。在反应活性方面，原子完全暴露的单原子催化剂具有更多的活性位，而不饱和的配位环境以及单原子与载体之间的电荷转移将有效提高活性位的本征活性。

另外，单原子催化剂具有均相催化和多相催化的双重优势，使其兼具高活性和高选择性。一般来说，通过金属-载体相互作用调节活性金属中心的几何和电子结构是一种常见的设计高效单原子催化剂的方法。

要点二：单原子催化的热催化加氢机理

H2活化步骤与催化金属中心的几何结构和电子结构密切相关，可分为均裂和异裂两种方式。在单原子催化剂中，最受关注的是第一配位层中与金属中心的结合位点，结合位点不同，活性和选择性不同；当金属中心的结合原子保持不变时，改变结合物种的类型也可以调节热催化加氢性能；即使是相同的结合原子，改变金属中心的配位数(CN)，也会对热催化加氢性能产生影响。

除第一配位层外，第二配位层也会参与到催化过程中，从而影响热氢化性能。此外，向单原子催化剂中引入掺杂剂、修饰表面配体等也会影响反应物吸附行为，从而改变热氢化性能。

要点三：硝酸盐电还原反应

硝酸根已被认为是地表水和地下水中最普遍的污染物之一。通过电催化选择性地将硝酸盐转化为环境友好型的N2或高附加值的NH3是解决硝酸盐污染的有效途径。然而，电催化硝酸根还原生成氮气和氨气过程中，存在多电子/质子转移过程而导致反应动力学缓慢，此外，硝酸根的转化常常伴随着竞争的析氢反应，导致电催化硝酸根还原反应法拉第效率低下。单原子催化剂（如单原子Fe、单原子Cu等）在电催化硝酸根还原反应上展现出了较高的活性和选择性。

要点四：前瞻

（1）尽管理论上已成功预测了多种可用于电催化氢化反应的电催化剂，但是实验上可合成并应用于该领域的却很少。因此，应尽快发展单原子的合成方法学实现大规模的单原子催化剂的合成，以满足实际应用的需要。

（2）增加单原子金属-载体相互作用(SAMSI)有利于单原子催化剂的稳定，但过于强烈的SAMSI往往伴随着反应活性的一定降低。因此，应进一步努力打破单原子催化剂的活性-稳定性跷跷板效应。因此，迫切需要探索具有不同位点协同功能的单原子合金或三聚体催化剂，实现高活性和高稳定性的加氢催化。

（3）在电催化加氢反应(如电还原硝酸根反应)领域，目前的研究大多极其关注第一配位层，而忽略了第二配位层对催化性能的影响。因此，需要在分子水平上设计合成单原子催化剂，进一步优化其加氢性能。

（4）全面了解分子水平上的构效关系是合理设计单原子催化剂和进一步提高催化性能的基础。最大的挑战在于推进对实际活性位点的研究，包括反应条件下的动力学演化和相关的反应路径。因此，推动理论计算和原位表征技术（如原位电子显微镜、原位XAFS和原位电化学表征）的发展是十分必要的。此外，还应进行动力学测量，以深入了解反应机理。

文章链接

Single-atom catalysts for thermal- and electro-catalytic hydrogenation reactions

https://doi.org/10.1039/D1TA07910G

通讯作者简介

张兵，天津大学理学院化学系教授、博导。

自独立工作以来，一直专注于面向水中氢高效催化利用的合成化学研究。获得了中国化学会青年化学奖(2012)及国家优青(2014)资助，入选教育部青年长江学者(2015)、万人计划-青年拔尖人才(2018)、英国皇家化学会会士(2019)和Angew Chem作者专栏(2019)，担任中国化学会晶体化学专业委员会委员、青年化学工作者委员会委员及Sci China Chem青年编委等。以通讯作者在Acc. Chem. Res.、Chem. Soc. Rev.（3篇）、Chem、J. Am. Chem. Soc.（2篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（20篇）、Nat. Commun.（2篇）、Natl. Sci. Rev.（2篇）等期刊上发表了80余篇论文，9篇论文选为封面或封底论文（包括1篇被选为Angew. Chem.外封面、2篇Sci. Bull.外面和1篇Chem. Soc. Rev.封底），19篇论文入选ESI高被引论文，6篇入选ESI热点论文。

周伟，天津大学理学院，副教授

于2006年和2010年获得天津大学获得了学士和博士学位。2011年加入天津大学理学院作为助理教授，曾是日本国立材料物质研究所(NIMS)的客座研究员。研究方向主要聚焦于半导体材料和光催化材料的磁、光和电学性能的第一性原理，金属材料机械性能第一性原理计算，以及半导体材料薄膜的制备及其物性研究。

黄义，华中师范大学化学学院研究员。

研究方向为纳米催化材料精准合成、电催化能源转化与水污染控制，担任Nanomaterials专刊客座编辑。以第一/共一或通讯作者发表论文15篇，包括Angew. Chem. Int. Ed.（5篇）、Appl. Catal. B-Environ.、ACS Catal.、Nano Energy、J. Mater. Chem. A（3篇）、Sci. China Mater.、Sci. Bull.等。

第一作者简介

张競方，河北农业大学理学院副教授，硕士生导师。

研究方向为超细纳米材料的设计合成及能源电催化研究。目前，以第一作者/通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Appl. Catal. B: Environ.、Small Methods、Adv. Sci.、Chem. Commun.等国际主流期刊发表多篇文章。

课题组介绍

详见https://www.x-mol.com/groups/bzhangtju

课题组招聘

详见https://www.x-mol.com/groups/bzhangtju/positions/4703