Advanced Materials:克量级合成高载量Fe单原子催化剂及其高效苯乙烯环氧化性能

催化自从这一概念被发现以来,一直和人类社会的进步息息相关。比如:合成氨催化的发现为国防工业生产各种炸药,为农业生产合成化肥以及各种有机工业的中间体,制药工业的磺胺类药物等;Pd-Pt-Rh三效催化剂的提出,在汽车尾气净化方面起到了重要的作用等。因此发展新型催化剂是现代化学工业也是人类社会进步的需要。单原子催化剂作为一种近年来新发展的催化剂以此应运而生。在单原子催化剂中,金属单原子位点原子级分散在载体上,这使得单原子催化剂具有极高的原子利用效率。近年来,科学家们发展了众多合成单原子催化剂的方法,如:浸渍法,“主-客体”策略,光化学还原法,原子层沉积法等。然而现在发展的这些合成方法依然只是合成单原子催化剂的冰山一角,需要找到符合实际化工生产需求的单原子催化剂,依然有许多挑战需要克服:1)由于单原子位点容易移动和团聚,因此合成单原子催化剂往往需要精细的操作和复杂的步骤;2)不同的金属原子的配位性能有较大的差异,很难开发出适用于几乎所有过渡金属单原子催化剂的合成策略;3)现有的方法合成的单原子催化剂总是载量较低,合成的量较少,这也成为了制约单原子催化剂应用于实际生产的瓶颈。因此发展一种合成策略,可以大剂量地合成一系列高载量单原子催化剂是至关重要的。

清华大学化学系王定胜副教授及其合作者针对这一问题,发展了一种煅烧配位聚合物的方法克量级合成了高载量单原子Fe催化剂负载在氮化碳上(SAS-Fe)。这种单原子催化剂含有极高的氮含量,这使得载体可以锚定足够多的金属单原子,并且发现SAS-Fe拥有比普通石墨态氮化碳有更高的缺陷含量,通过EXAFS曲线模拟,发现Fe在SAS-Fe中的配位数较低,这三个因素也是SAS-Fe拥有极高金属载量的原因。使用这种合成策略不仅仅可以合成SAS-Fe,还可以推广到合成更多其他过渡金属单原子催化剂。这些单原子催化剂都可以放大到克量级生产,并含有极高的金属载量如:SAS-Ni (21.57 wt.%), SAS-Cu (22.36 wt.%), SAS-Zn (21.09 wt.%), SAS-Ru (13.47 wt.%), SAS-Rh (3.5 wt.%), SAS-Pd (3.8 wt.%), SAS-Pt (3.2 wt.%), SAS-Ir (4.4 wt.%)等。

研究者也测试了SAS-Fe的催化性能,发现其具有极高的苯乙烯环氧化活性和稳定性。SAS-Fe在仅用常压氧气作为氧化剂的条件下,可以在3小时内达到64%的产率和89%的选择性,并且循环五次后催化效果几乎没有变化。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202000896)上。 该工作发展的合成单原子策略,不但操作简便,价格便宜,而且可以大剂量合成高载量金属单原子催化剂并且具有极高的催化性能。满足了未来单原子催化剂应用于实际化学工业生产的需求,为单原子催化剂的发展和应用铺平了道路。