JACS：Pt催化剂用于高效催化环己烷脱氢制氢

标题：Few-Atom Pt Ensembles Enable Efficient Catalytic Cyclohexane Dehydrogenation for Hydrogen Production

第一作者：Yuchen Deng, Yu Guo, Zhimin Jia, Jin-Cheng Liu

通讯作者：马丁，李隽，刘洪阳

研究内容：

环己烷脱氢(CDH)反应可以产生氢和苯；与它的逆反应，即苯的氢化反应相结合，形成了一种很有吸引力的以液体为载体的形式运输氢气的方法，这种方式既安全又容易运输。随着氢的运输越来越成为整个氢经济的瓶颈，环己烷/苯对等液态有机氢载体可以显著降低氢的运输和储存成本。通过最大化金属利用效率来提高催化剂的性能具有重要的实用性和科学意义。然而，催化活性位点的识别是设计高效多相金属催化剂的关键，特别是对结构敏感的反应。缩小催化剂上金属种类的尺寸会增加分散性，当金属原子以单原子形式存在，即单原子催化时，分散性最大。

近日，北京大学马丁，南方科技大学李隽，中科院沈阳金属所刘洪阳报道制备了一系列锚定在纳米金刚石弯曲石墨烯层（ND@G）上的Pt催化剂的制备，包括孤立的Pt单原子（Pt₁）、不同大小的Pt团簇（Pt_n）和Pt纳米颗粒（Pt_p），它们代表着Pt物种的平均尺寸从单个原子不断增加到由几个原子组成的完全暴露的亚纳米团簇，最终形成更大的团簇和纳米颗粒。

研究要点：

对于CDH反应，Pt SAC具有最高的金属原子利用率，但在553 K下，对环己烷的C-H键活化和脱氢反应都没有活性。相反，Pt簇合物和纳米粒子催化剂都具有活性，但较大的粒子会被反应产物严重毒化，因此活性较低。值得注意的是，充分暴露的少原子Pt集成的平均Pt-Pt配位数（CN_Pt-−Pt）约为2-3，表现出最佳的催化性能。这主要归因于其高的d带中心、多个邻近的金属位点和产品的弱结合。这表明由少原子Pt集成组成的完全暴露的Pt团簇催化剂对催化CDH反应的重要性。

图1、Pt单原子、团簇和纳米颗粒催化剂的表征。

图2、Pt单原子、团簇和纳米颗粒催化剂的反应性能。

图3、催化剂的模型结构和反应路径的理论计算。

图4、(a)苯在Pt1/G、Pt4/G、Pt13/G和Pt（111）表面的吸附构型。(b)苯中C原子与其相邻的Pt原子之间的-pCOHP总结。(c) IpCOHP与苯和环己烷在这四种催化剂上的吸附能的关系。

参考文献：

Yuchen Deng, et al, Few-Atom Pt Ensembles Enable Efficient Catalytic Cyclohexane Dehydrogenation for Hydrogen Production, J. Am. Chem. Soc., 2022

DOI: 10.1021/jacs.1c12261