重磅！Nature大子刊再+1！武利民和劉健團隊在國際上首次實現高配對率雙原子催化劑精準合成

原子級分散金屬催化劑因其結構明確、原子利用率高，已成為非均相催化領域具有重要應用前景的材料。尤其是雙原子催化劑因其高金屬負載量、不同金屬原子的靈活組合以及獨特的微環境，使其催化性能遠優于單原子催化劑。存在的主要科學與技術問題是雙原子位點分布無序、間距不可控、原子易團聚、成對率低等。

近日，我校能源與材料化學研究院武利民教授、化學化工學院劉健教授團隊聯合香港城市大學黃勃龍教授，提出了一種創新的配體限制策略，即利用二胺與g-C3N4之間的有機-無機非共價鍵相互作用和二胺與雙金屬前體間的有機-金屬之間的配位作用，在g-C3N4載體表面對金屬原子的配對過程與空間排布進行有效限制。該“錨定-限制”機制從源頭上抑制了金屬原子的無序遷移，引導其定向形成原子對，從而確保了結構的高成對率與穩定性。基于該策略合成的Pt2/g-C3N4-HA同核雙原子催化劑成對率高達83%。基于該策略合成的Pt1–Au1/g-C3N4-HA異核雙原子催化劑成對率高達82%，均顯著高于已有研究報道。雙原子之間的距離從0.22到0.81nm，可以通過乙二胺、己二胺、芳香二胺實現精準調控。該研究工作不僅為原子尺度催化材料的精準合成提供了新策略，也對理解非均相催化中的納米尺度反應機制具有重要啟示。相關工作于10月24日以“Ligand-restricted synthesis of highly paired dual-atom catalysts”為題在線發表在國際頂尖學術期刊Nature Materials上。內蒙古大學師資博士后馬嚴富為第一作者，武利民、劉健、黃勃龍為共同通訊作者。

雙原子催化劑的形貌分析與結構表征

在硝酸根還原為氨反應中，采用乙二胺配體實現Pt–Au成對異核雙原子催化劑，氨產率從255 mg h-1 mgmetal-1提升至556 mg h-1 mgmetal-1，證明有效的Pt–Au雙原子配對可促進二者協同催化，顯著提升反應活性。進一步使用鏈長更長的己二胺配體，雖然導致Pt–Au原子間距增大，但氨產率進一步提高至744 mg h-1 mgmetal-1。電子結構分析表明，當Pt–Au原子間距較近時，二者之間存在明顯的電子轉移，改變了各自的電子結構，進而影響對反應物及中間體的吸附行為。該結果證實，適中的原子間距是雙原子催化劑發揮最優催化性能的關鍵。

該研究提出的配體限制合成策略，一方面通過金屬原子與二胺配體、載體間的配位作用，將雙原子成對率提升至82%以上，有效解決了傳統方法中原子分散不均、易團聚的難題；另一方面，通過調控配體分子鏈長，實現了雙原子間距的精確調控，為在原子尺度優化協同催化環境提供了可控手段。該策略具有良好的普適性，可拓展至多種同核/異核雙原子催化劑體系，并通過靈活調整配體尺寸實現金屬原子間距的精準、高效調控。不僅為雙原子催化劑的結構化設計提供了新范式，也為其在多種催化反應中的實際應用提供了新的技術解決方案。

該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金（22279139、22572012）、內蒙古自治區自然科學基金、內蒙古大學高層次人才計劃以及內蒙古自治區草原英才計劃等項目支持。

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編輯 ：張丹陽

校對 ：紀欣 牛國欣

責編 ：張振宇 張書寧

初審 ：白云波 武濤 伊如樂

復審 ：李文娟

終審 ：阿茹娜