负载型金属催化剂广泛应用于多种工业催化反应中。单原子催化剂因其高金属原子利用率和新奇的催化特性，近些年引发科研工作者们的热烈关注。然而伴随着尺寸减小带来的表面自由能的升高，很容易导致单原子催化剂的稳定性降低，容易发生团聚，进而使得催化剂失活。为解决这一难题，中国科学技术大学路军岭教授课题组与韦世强教授、张文华副教授合作，通过利用金属-载体之间的电子相互作用（Electronic metal-support interactions, EMSIs），调控金属单原子的d 轨道能级，设计出了高活性和高稳定性的单原子催化剂。研究成果以“Highly Active and Stable Metal Single-Atom Catalysts Achieved by Strong Electronic Metal–Support Interactions”为题，发表在国际权威期刊J. Am. Chem. Soc杂志上（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 37, 14515-14519），并被选为当期封面，论文的共同第一作者是博士研究生李俊杰、关桥桥和吴红。
图1被当选的杂志封面图
在该工作中，研究人员首先利用ALD在Co3O4、CeO2、ZrO2以及石墨烯四种不同的载体上制备出Pt单原子催化剂。随后结合X-射线吸收谱(XAFS)、光电子能谱(XPS)、漫反射红外CO吸收谱(DRIFTS)对四种单原子催化剂进行电子结构表征，发现Pt1/Co3O4中的Pt单原子具有更大程度的未占据5d电子轨道状态，这表明Pt单原子和Co3O4之间存在强EMSIs (图2a-d)。
图 2. Co3O4、CeO2、ZrO2以及石墨烯担载的Pt单原子结构表征和催化性能。(a) XANE; (b) EXAFS; (c) DRIFTS CO; (d) XPS. (e) 氨硼烷水解制氢活性 和 (f) 循环稳定性。
在氨硼烷水解制氢反应中，作者发现EMSIs对其活性和稳定性有着重要影响。发现Pt1/Co3O4单原子催化剂表现出来的活性和稳定性均远高于其他三个Pt单原子催化剂 (图2 e,f)。张文华副教授课题组通过密度泛函理论对Pt 5d轨道进行了密度态分析，发现Pt1/Co3O4中Pt的5d电子轨道状态得到了调制，使得氨硼烷分子在Pt单原子上的吸附适中，而且对氢气的吸附大大弱化，进而促进了其催化活性的提高。这种通过EMSIs同时提升催化剂活性和稳定性的思路，同样可以推广至Pd1/Co3O4单原子催化剂以及其他催化反应中，例如加氢反应。因此，该工作为人们提出了一种新的制备高活性、高稳定单原子催化剂的普适方法。
该项研究得到了由国家自然科学基金、中央高校基础研究基金、中国科学院合肥科学中心优秀项目和Max-Planck合作伙伴小组的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b06482