近日，我所航天催化與新材料研究室黃延強(qiáng)研究員、楊小峰副研究員團(tuán)隊(duì)在單原子催化劑的設(shè)計(jì)合成及催化應(yīng)用策略研究方面取得新進(jìn)展，采用含氮有機(jī)聚合物材料為載體，制備出類均相銥活性中心的單原子催化劑，該催化劑在二氧化碳加氫反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異催化性能。相關(guān)研究成果以全文的形式于Cell旗下的Chem雜志上發(fā)表。

“單原子催化”概念由張濤團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)李雋教授及美國亞利桑那州立大學(xué)劉景月教授于2011年共同提出，迅速成為多相催化領(lǐng)域的研究前沿，并有望成為關(guān)聯(lián)多相與均相催化的橋梁。然而，催化劑載體表面的不均勻性對單原子催化劑的形成、穩(wěn)定性能、催化性能都有極大的限制。為此，黃延強(qiáng)團(tuán)隊(duì)提出借鑒均相催化模型，從分子水平構(gòu)建載體負(fù)載單原子活性中心，從而不僅可獲得穩(wěn)定的單原子活性中心，而且可以實(shí)現(xiàn)單原子催化劑的“準(zhǔn)均相”應(yīng)用。

CO2催化加氫合成甲酸是一個(gè)原子經(jīng)濟(jì)性的反應(yīng)，生成的甲酸不僅是重要化工原料，還可作為一種理想的液態(tài)儲(chǔ)氫材料。在前期探索CO2催化活化轉(zhuǎn)化的研究認(rèn)識基礎(chǔ)上(Nat. Commun., ACS Catal., ChemSusChem)，該團(tuán)隊(duì)利用酰胺化反應(yīng)簡捷、高效地制備出含有吡啶-酰胺基團(tuán)的多孔有機(jī)聚合物，并將其作為載體負(fù)載單原子銥催化劑以實(shí)現(xiàn)活性中心的穩(wěn)定性，該催化劑在二氧化碳加氫制甲酸反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性，解決了多相催化在該反應(yīng)中一直面臨的活性不高的難點(diǎn)。同時(shí)，科研人員通過球差電鏡、XPS、XAS等表征實(shí)驗(yàn)，結(jié)合理論計(jì)算催化活性中心結(jié)構(gòu)及光譜模擬，對Ir單原子催化劑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精確解析，確認(rèn)該單原子催化劑具有類均相活性中心，且具有與均相催化過程相同的催化反應(yīng)機(jī)理。該研究為二氧化碳的高值化利用、設(shè)計(jì)新型單原子催化劑及應(yīng)用提供了新思路。

以上研究得到了國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目等資助。同時(shí)，這也是獻(xiàn)禮我所七十周年所慶文章之一。