近日，浙师大杭州高等研究院丁云杰研究员团队“双龙学者”特聘教授林荣和课题组与大连化物所朱何俊研究员、浙工大赵佳和大连理工大学刘家旭副教授合作，在低核双金属催化剂设计和甲酸分解制氢研究中取得进展。相关研究成果以”Defect-driven nanostructuring of low-nuclearity Pt-Mo ensembles for continuous gas-phase formic acid dehydrogenation”为题，发表在综合性国际期刊《自然•通讯》(Nat. Commun., 中科院1区，影响因子17.694)。
甲酸是一种极具应用潜力的液态化学储氢介质，如何实现氢的快速释放同时避免过程中生成CO是该领域的研究热点。甲酸气相分解制氢在热力学上具有优势，但存在反应温度过高、催化剂活性低且易失活等不足。如何在原子尺度上对催化剂结构进行精准设计、实现甲酸分子的定向活化极具挑战。
在前期工作中，林荣和所在精细化工与碳催化课题组以苯胺等含氮有机小分子的聚合作为切入点，在新型氮碳材料的缺陷调控方向展开系统性工作，发展了一系列通过调节高分子聚合度(ACS Catal., 2018, 8, 1114)、交联高分子的选择性开环 (Adv. Funct. Mater., 2021,31, 2006076)、以及模板剂分子掺杂(Carbon, 2022, 196, 110)等调变氮缺陷数量和分布的方法。在此基础上，提出通过热驱动金属物种在载体表面迁移和缺陷捕获法，成功实现Au (Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 504；Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202214166)、Pt (Nanoscale, 2022, 14, 10506)、Ir (J. Energ. Chem., 2022, 69, 541)等单金属原子配位环境和成核、以及Pt-Bi双金属空间分布的调控(ACS Catal. 2023, 13, 12571)。本工作中，研究者进一步提出结合顺序浸渍法和载体缺陷工程的创新性策略，即在首次浸渍过程中利用sp2杂化的氮缺陷位先牢牢锚定Mo原子，然后在二次浸渍中引入Pt前驱体，并通过减少氮缺陷数量控制Mo邻近位点Pt原子的成核，进而获得一系列从单原子到亚纳米尺度的低核双金属团簇。研究表明，具有Pt3Mo1N3结构的团簇在甲酸气相分解制氢反应中表现出远超当前已报道同类催化剂的优异活性(373K下转换频率达0.62 molHCOOH molPt−1 s−1)和稳定性。结合双光束原位红外光谱、动力学和理论计算研究发现，具有四面体构型的Pt3Mo1N3团簇在甲酸分子活化过程中存在Pt-Mo间协同效应，能够为甲酸连续氢解离创造能量更低的反应路径。上述研究成果为开发高效甲酸分解制氢催化剂和设计多金属低核纳米材料提供了丰富的启示。
编辑：盛灿灿
