通讯作者：王阳刚；刘洪阳；周武；马丁 通讯单位：南方科技大学；中科院金属研究所；中国科学院大学；北京大学 负载金属的大小对其催化活性有深远的影响。然而，由于缺乏单原子灵敏度和统计意义显著的量化方法，金属在原子尺度上的这种结构灵敏度仍然不明确。 基于此，北京大学马丁教授、南方科技大学王阳刚、中科院金属研究所刘洪阳及中国科学院大学周武等人合作系统地研究了从孤立的单原子位到少原子团簇、原子层状团簇和2-10nm纳米颗粒(NPs)的钯(Pd)表面上十二氢-N-乙基咔唑脱氢反应中的催化贡献，这是一个对H2运输和利用至关重要的反应。对于某些催化反应，构建完全暴露的金属簇，而不存在单原子，可以帮助最大化贵金属的反应活性和原子效率。
图1. 过程示意图。NEC/DNEC系统的物理化学优势及用于氢储存和利用的可逆加氢和脱氢过程。 相关工作以“Fully exposed palladium cluster catalysts enable hydrogen production from nitrogen heterocycles”为题发表在国际著名期刊Nature Catalysis上。
图2.不同Pd/ND催化剂的结构。 要点1. 作者系统地研究了DNEC和四氢-N-乙基咔唑(TNEC)脱氢过程中钯的结构敏感性，从孤立的单原子位到少原子团簇、原子层状团簇和2-10nm纳米颗粒(NPs)。 要点2. 结合单原子灵敏电子显微镜、单位点灵敏光谱学和体灵敏x射线吸收光谱技术，可以定量地确定一系列钯催化剂中不同种类钯的统计位点分布。进一步建立了钯的平均Pd-Pd配位数(CN Pd-Pd)与位点特异性TOF之间的相关性。 要点3. 结果表明，DNEC的脱氢反应的最佳催化剂为完全暴露的钯原子簇，平均Pd-Pd配位数为~4.4，这将有利于反应物的活化和产物的解吸，而钯单原子对DNEC的脱氢反应几乎是无效的。代表了原子利用效率的最有效组合和对反应物吸附/转化的有利集合要求。 该研究表明对于某些催化反应，构建完全暴露的金属簇，而不存在单原子，可以帮助最大化贵金属的反应活性和原子效率。
图3. 不同Pd/ND催化剂的配位和电子性能。
图4. 不同钯催化剂/位点的脱氢性能。
图5. 钯催化DNeC脱氢过程的DFt计算。 链接： https:///10.1038/s41929-022-00769-4 |
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