第一作者：Yang Si，Yueyue Jiao

通訊作者：劉洪陽，刁江勇，馬丁

通訊單位：中國科學(xué)院金屬研究所，北京大學(xué)

劉洪陽，博士，研究員，亞納米尺度金屬催化材料研究團隊負責(zé)人，中科院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心與中國科技大學(xué)博士生導(dǎo)師。自2011年起，先后承擔(dān)，國家基金委-重大研究計劃集成項目、國家基金委企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金重點基金、國家基金委-內(nèi)地香港聯(lián)合基金、國家基金委-重大研究計劃重點基金（合作單位負責(zé)人）、國家基金委-重大研究計劃培育項目、國家基金委-面上基金（2項）、國家基金委-青年基金等。

馬丁，北京大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。新基石研究員、首屆民珠學(xué)者獎、教育部長江學(xué)者特聘教授 、國家杰出青年基金獲得者、中國催化青年獎 、英國皇家化學(xué)會會士 、王選青年學(xué)者獎 、國家優(yōu)秀青年基金獲得者。

研究方向：針對能源和環(huán)境中的催化問題，在環(huán)境友好、資源合理利用的前提下，設(shè)計新催化過程，構(gòu)建新型高效催化劑體系，并結(jié)合operando表征手段來解決催化過程中的重要科學(xué)問題。

論文速覽

對于二硝基芳烴加氫反應(yīng)，由于涉及兩個硝基加氫過程的復(fù)雜性，實現(xiàn)高活性和高選擇性的多步加氫還是一個挑戰(zhàn)。

本論文研究了一種新型全暴露鉑簇催化劑（Pt_n/ND@G），其由納米金剛石@石墨烯（nanodiamond@graphene，ND@G）負載的平均四個Pt原子團簇所組成，在室溫下對2, 4-二硝基甲苯（2, 4-DNT）多步加氫反應(yīng)具有優(yōu)異的催化性能。該催化劑的轉(zhuǎn)化頻率（TOF）高達40647 h^-1，顯著優(yōu)于已知的單Pt原子催化劑、Pt納米粒子催化劑及其他催化劑。

通過密度泛函理論（DFT）計算和吸附實驗，發(fā)現(xiàn)Pt_n/ND@G中多個活性位點的協(xié)同作用有助于反應(yīng)物和氫氣的共吸附/活化，以及中間體/產(chǎn)物的解吸，這是其比單Pt原子催化劑和Pt納米粒子催化劑具有更高催化活性的關(guān)鍵。

圖文導(dǎo)讀

圖1：Pt_n/ND@G和Pt₁/ND@G的微觀表征。

圖2：催化劑的同步輻射XAFS和XPS測量結(jié)果。

圖3：2, 4-DNT加氫反應(yīng)的催化性能。

圖4：Pt_n/ND@G催化二硝基芳烴/硝基芳烴加氫反應(yīng)的底物范圍。

圖5：2, 4-DNT在Pt₁@Gr、Pt₄@Gr和Pt(111)上的三種可能的吸附模型及其對應(yīng)的吸附能量。

圖6：2, 4-DNT加氫反應(yīng)的機理研究。

總結(jié)展望

本研究成功開發(fā)了一種高效的全暴露鉑簇催化劑Pt_n/ND@G，該催化劑在多步驟加氫反應(yīng)中展現(xiàn)出卓越的催化性能和穩(wěn)定性。DFT計算和吸附實驗揭示了催化劑活性位點的協(xié)同效應(yīng)，為設(shè)計和開發(fā)新型多步驟氫化反應(yīng)的催化劑提供了新思路。本工作不僅為合成中間體的工業(yè)應(yīng)用提供了高效的催化解決方案，也為未來催化劑設(shè)計提供了重要的理論和實驗基礎(chǔ)。

文獻信息

標題：Fully exposed Pt clusters for efficient catalysis of multi-step hydrogenation reactions

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-49083-6