近日，北京大學馬丁教授課題組、中國科學院大學周武教授課題組及中國科學技術大學劉進勛研究員合作，在《國家科學評論》（National Science Review，NSR）發(fā)表研究論文，報道了高負載量的原子級分散催化劑Ir/MoC，在一定程度上突破了“高負載量”與“高分散性”不可兼得的困境。

原子級分散催化劑在一些反應中展現(xiàn)出較高活性或特殊選擇性，受到廣泛關注。然而，高分散活性物種往往是熱力學不穩(wěn)定結構，這導致現(xiàn)有原子級分散催化劑金屬載量大多數(shù)在1.5 wt%以下。

在這項工作中，研究者以α-MoC為載體，通過簡單的浸漬方法，實現(xiàn)了高分散貴金屬Ir物種的負載。結合X射線譜學和球差校正電鏡技術，研究者發(fā)現(xiàn)：

Ir物種載量達4%時仍可保持原子級分散；

達7%時為Ir原子和Ir團簇的混合；

達到12%時才會出現(xiàn)XRD可探測的Ir納米粒子。

實驗和理論計算結果表明，α-MoC載體與Ir物種之間存在強的相互作用，使得金屬Ir在高載量時仍能避免團聚，從而在α-MoC表面維持原子級的高分散。

進一步，研究者以喹啉加氫生成1,2,3,4-四氫喹啉為探針反應，對Ir/α-MoC催化劑的加氫反應性能進行了探究。

Ir/α-MoC催化喹啉加氫反應機理示意圖

文中首先討論了催化劑加氫活性與Ir結構的關系：當Ir實現(xiàn)完全原子級分散時（Ir1, Ir wt%≤4%），催化劑的金屬歸一化活性最高，當過高載量導致Ir團簇和顆粒形成時，金屬歸一化活性顯著下降。這表明Ir1是該反應活性最高的物種。然而，盡管低載量原子級分散催化劑的單一位點活性較高，但其活性位點密度較低，使其質量活性甚至低于納米粒子型催化劑，而質量活性是實際生產中需要考量的重要參數(shù)。

研究者指出，具有高密度原子級分散的活性位點才能使催化劑對某些反應同時獲得較高的金屬歸一化活性和質量活性，從而具有更好的應用前景。

Ir/α-MoC催化喹啉加氫反應活性隨Ir含量變化圖

此外，α-MoC載體賦予Ir/α-MoC屏蔽喹啉中苯環(huán)加氫反應的能力。理論計算結果表明，喹啉在Ir/α-MoC催化劑上遵循水促加氫機理，而在Ir/C催化劑上遵循直接加氫機理，這是二者選擇性差異的根本原因。

該研究為構建高負載量、高熱穩(wěn)定性的原子級分散催化劑體系提供了一種新的研究思路，也提出了水促喹啉加氫的新機理。此項工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、中國科學院前沿科學重點研究計劃和北京市卓越青年科學家計劃支持。

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