單原子催化劑(SACs)具有原子利用率高、電子結(jié)構(gòu)獨(dú)特、配位結(jié)構(gòu)不飽和等特點(diǎn)，是當(dāng)今多相催化研究的熱點(diǎn)之一。然而，SACs主要缺點(diǎn)之一是它們不能為一些需要金屬-金屬相互作用的復(fù)雜反應(yīng)提供具有多個(gè)金屬原子的位點(diǎn)。

此外，由于單個(gè)原子和載體之間的配位和電荷轉(zhuǎn)移，SAC中的金屬中心通常以氧化狀態(tài)存在，這剝奪了特定催化反應(yīng)的有效吸附和活化所需的金屬性。最近的研究表明，完全暴露的簇催化劑(FECCs)不僅可以像納米粒子一樣提供多個(gè)金屬原子的催化位點(diǎn)，還可以像單原子催化劑一樣保持完全的原子利用效率，使其成為連接金屬單原子催化劑和納米粒子的橋梁。由于這些獨(dú)特的特性，F(xiàn)ECCs被廣泛研究，并在脫氫和氧化反應(yīng)中表現(xiàn)出增強(qiáng)的催化性能。然而，它們?cè)诩託浞磻?yīng)中的應(yīng)用鮮有報(bào)道，并且反應(yīng)機(jī)理尚不清楚。

近日，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所曹昌燕、宋衛(wèi)國(guó)和南方科技大學(xué)王陽剛等報(bào)道了一種錨定在硫摻雜碳載體上的充分暴露的Ir團(tuán)簇(Ir_n/SC)，并通過實(shí)驗(yàn)證明其是一種高效的N-雜環(huán)芳烴加氫催化劑，該催化劑表現(xiàn)出比對(duì)應(yīng)的Ir SAC (Ir₁/SC)和Ir NPs催化劑更高的活性和穩(wěn)定性。

具體而言，研究人員以喹啉選擇性加氫制備1,2,3,4-四氫喹啉(py-THQ)為模型反應(yīng)，系統(tǒng)評(píng)估了上述Ir_n/SC催化劑的催化性能。在100 °C，2 MPa H₂條件下，喹啉完全轉(zhuǎn)化后，只有py-THQ生成，沒有過度加氫產(chǎn)物生成，表明該催化劑對(duì)py-THQ具有良好的選擇性；此外，Ir_n/SC在連續(xù)5個(gè)循環(huán)中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，且反應(yīng)后結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算表明，在喹啉加氫反應(yīng)中，最優(yōu)的2Ir_n/SC的本征催化活性高于Ir₁/SC和Ir NPs，這可歸因于Ir原子在Ir_n/SC和Ir₁/SC中不同的幾何和電子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了不同的加氫過程(Ir_n/SC上的經(jīng)典Horiuti-Polanyi機(jī)理和Ir₁/SC上的Langmuir-Hinshelwood機(jī)理)，這使得Ir_n/SC對(duì)H₂和喹啉表現(xiàn)出更有效地活化，以及更容易發(fā)生H原子轉(zhuǎn)移和產(chǎn)物脫附。

綜上，該項(xiàng)工作深入探究了Ir_n/SC催化加氫反應(yīng)的機(jī)理，有助于拓展完全暴露金屬團(tuán)簇在加氫反應(yīng)中的應(yīng)用。

Fully Exposed Iridium Clusters Enable Efficient Hydrogenation of N-Heteroarenes. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c03148