近日，大連化物所所能源研究技術(shù)平臺(tái)電鏡技術(shù)研究組（DNL2002）劉岳峰副研究員團(tuán)隊(duì)和催化與新材料研究中心王愛琴研究員、張濤院士團(tuán)隊(duì)，與法國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)、德國(guó)馬普協(xié)會(huì)化學(xué)能源轉(zhuǎn)化研究所、四川大學(xué)等團(tuán)隊(duì)合作，在闡明碳化鉬(α-MoC)負(fù)載高密度單原子Pd基催化劑的穩(wěn)定機(jī)制，以及在選擇加氫反應(yīng)中的獨(dú)特催化性能方面取得新進(jìn)展。

單原子催化劑（SAC）具有獨(dú)特的幾何和電子結(jié)構(gòu)，在選擇加氫反應(yīng)中顯示出優(yōu)異的活性和選擇性。由于單個(gè)金屬原子與載體的直接化學(xué)鍵合，SAC的性能在很大程度上取決于所用載體的性質(zhì)。在相對(duì)較高的溫度下，將單原子催化劑暴露于還原性氣氛中，這種金屬-氧絡(luò)合物將被破壞，導(dǎo)致單個(gè)原子的聚集/燒結(jié)，并因此失去其化學(xué)選擇性。因此，獲得高穩(wěn)定、高密度單原子選擇加氫催化劑，特別是較高反應(yīng)溫度下仍然保持原子級(jí)分散的催化劑極具挑戰(zhàn)。

本工作中，研究人員首先利用配備原位樣品臺(tái)的球差校正掃描透射電子顯微鏡（AC-STEM）在常壓（1 bar）、20%CH4/H2混合碳化氣氛中原位觀測(cè)高負(fù)載量（質(zhì)量百分含量至5wt%）的Pd納米粒子從納米粒子至原子級(jí)分散的動(dòng)力學(xué)過程，并結(jié)合原位譜學(xué)技術(shù)（包括NAP-XPS和準(zhǔn)原位XAS）和理論計(jì)算（DFT），確定了在原位碳化過程中Pd原子傾向于遷移到富含空位的碳化鉬表面，形成高密度、表面富集的單原子分散的Pd1/α-MoC催化劑。研究人員進(jìn)一步將Pd1/α-MoC催化劑成功應(yīng)用到芳香硝基化合物的液相選擇加氫和富氫條件下逆水煤氣反應(yīng)（RWGS, CO2 + 3H2→CO + 2H2 + H2O）中，其均表現(xiàn)出優(yōu)異的活性和選擇性，遠(yuǎn)優(yōu)于Pd納米顆粒催化劑。更重要的是，Pd1/α-MoC催化劑可以承受高達(dá)400°C的還原/反應(yīng)氣氛，且沒有單原子的聚集。這項(xiàng)工作為尋求在苛刻的還原條件和高密度條件下仍具有優(yōu)異選擇性和穩(wěn)定性的單原子催化劑提供了一條新途徑。

該成果發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B）“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、遼寧省“興遼英才計(jì)劃”項(xiàng)目和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等資助。（文/圖 馬穎、任煜京）