我国利用石墨炔实现零价金属原子催化的突破

　　在国家自然科学基金委员会重大项目资助下，中国科学院化学研究所石墨炔研究团队建立了原子催化的新理念，改变了传统的催化观念，实现了该领域至今没破的难题。研究成果以“Anchoring zero valence single atoms of nickel and iron on graphdiyne for hydrogen evolution”为题于2018年4月13日在Nature Communications（《自然-通讯》）上在线发表。

零价过渡金属原子催化剂的合成

　　过渡金属原子催化剂是催化领域的研究前沿，目前过渡金属单原子催化剂主要是以团簇的形式存在，价态不能确定或不是整数价态。近几年来科学家们一直期待零价过渡金属原子催化剂的出现，因此，制备零价过渡金属原子催化剂是催化领域的巨大挑战。2010年首次化学合成了碳新同素异形体—石墨炔，开拓了碳科学研究的新领域，从石墨炔特殊的化学结构和电子结构出发在理论上和实验上成功解决了该领域的系列基础科学问题，并与青岛生物能源所、香港理工大学和苏州纳米所等合作，拓展了石墨炔在催化、能源、电化学驱动器以及光电性质等方面的研究（Nat. Commun. 2017, 8,1172；Nat. Commun. 2018, 9,752；Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 774和Adv. Mater. 2018, DOI:10.1002/adma.201707082），发现了优异性能，特别是在电能与机械能量转换方面。提出了炔-烯化学键转换新的致动机理，改变了传统电化学驱动器的电容致动机理。石墨炔驱动器比电容高达237 F g-1，换能效率高达6.03%，远高于目前的电化学换能器件（换能效率低于1%），创造了电化学驱动器电能与机械能转换新的纪录

　　近期他们提出了通过石墨炔的炔键、超大的表面和孔洞结构与过渡金属催化原子之间的协同作用，在石墨炔上成功负载了过渡金属Ni和Fe等零价原子并实现了其表面活性组分的高度分散（如图），解决了传统载体上作为团簇存在的单原子催化剂易迁移、聚集和电荷转移不稳定等关键问题。石墨炔负载的零价过渡金属催化剂在催化过程中展示了高的稳定性，催化剂中金属含量仅有传统单原子催化剂的万分之一，但催化性能更为优异，过电位0.2 V时，该催化剂质量活性是Pt/C（20 %）的34.6倍，该铁和镍催化单位面积最大活性位点数分别是 (2.56 ×1016)和 (2.38×1016)，分别是 Pt(111) (1.5×1015)的17倍和15.8倍，并在酸体系下显示了超高的稳定性。原子催化剂的出现为发展新型高效催化剂开拓了新的方向。该成果于2018年4月13日在《Nature Communications》上发表。获得自然杂志副主编及同行高度评价：我们十分赞赏您将单个镍原子锚定在石墨炔载体上的方法，这具有巨大潜在价值∙∙∙∙∙∙； Xue等人将Ni(0)/Fe(0)原子负载到石墨炔框架中，制备了新的原子催化剂具有很强挑战性∙∙∙∙∙∙；十分有意义的是，在没有任何官能团的情况下，石墨炔高效地锚定Ni和Fe原子∙∙∙∙∙∙；富含三键的石墨炔锚定镍铁原子显示高效的析氢电催化活性，为多相催化和电催化应用开发更多的原子催化剂提供了崭新理念。