近日，我所催化與新材料研究中心（1500組群）喬波濤研究員、張波副研究員與催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組（508組）吳忠?guī)浹芯繂T團隊，以及香港城市大學劉彬教授和福建師范大學于廣濤教授等合作，在新型單原子催化劑構(gòu)建方面取得新進展。
自2011年張濤院士團隊等提出“單原子催化”概念以來，研究人員已經(jīng)發(fā)展出豐富的單原子催化劑制備與調(diào)控策略，并基于此，嘗試在原子級水平上認識非均相催化過程，單原子催化也因此成為非均相催化領域的前沿。由于單原子催化劑的活性位點往往以嵌入載體表面甚至晶格內(nèi)部的形式存在，可能會在化學反應過程中引入空間位阻，從而導致單原子催化劑性能下降。因此，精確設計和可控合成在一定程度上遠離載體表面的單原子活性位點十分重要。
本工作中，合作團隊開發(fā)了一種新穎的具有“懸浮”式位點的Re單原子催化劑，并結(jié)合實驗和理論計算證明了在該催化劑中，Re單原子通過垂直于NiO表面的鄰菲羅啉配體配位而“懸浮”于載體NiO表面。理論計算進一步表明，該催化劑獨特結(jié)構(gòu)的熱力學穩(wěn)定性來源于quasi-CH3ReO3-phen結(jié)構(gòu)與NiO載體之間的氫鍵和靜電相互作用間的協(xié)同。合作團隊應用該催化劑于葡萄糖電催化氧化反應中，發(fā)現(xiàn)具有垂直配體的“懸浮”式Re單原子催化劑體現(xiàn)出比非垂直結(jié)構(gòu)Re單原子催化劑更加優(yōu)異的反應性能。為了深入探究該過程的催化機理， 合作團隊利用DFT計算了葡萄糖到葡萄糖二酸產(chǎn)物的氧化過程網(wǎng)絡，為理解該種具有獨特結(jié)構(gòu)的單原子催化劑的催化行為提供了理論基礎。該研究證明了在面對大分子的催化反應中實現(xiàn)構(gòu)建具有垂直配體配位結(jié)構(gòu)的單原子催化劑的可能性，同時為降低單原子催化劑的反應位阻提供了新的設計思路，這對于開發(fā)適用于涉及大分子轉(zhuǎn)化過程的單原子催化劑具有重要意義。
相關(guān)研究成果以“"Suspended" Single Rhenium Atoms on Nickel Oxide for Efficient Electrochemical Oxidation of Glucose”為題，發(fā)表在《美國化學會志》（Journal of the?American Chemical Society）上。上述工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目的支持。（文/圖 江訓柱）
