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北京化工大学吕超研究团队在《‌Angew. Chem. Int. Ed. 》顶级期刊上发表研究论文

近期，北京化工大学吕超研究团队在《‌Angewandte Chemie International Edition》顶级期刊上发表了研究论文，提出了一种基于d带中心调节丙酮催化发光（CTL）探针技术，用于单原子催化剂（SACs）配位数（CN）的快速筛查，为催化剂的快速表征提供了新的可能。

一、背景介绍

单原子催化剂（SACs）在催化领域因其优异的性能和高效的反应活性而受到广泛关注。SACs的催化性能与其局部配位环境密切相关，特别是配位数（CN）对催化反应的影响。传统的X射线吸收光谱（XAS）是表征配位数的金标准，但其昂贵的设备和复杂的数据分析使得该技术的普及受到限制。因此，开发一种高效、低成本的替代技术对于催化研究具有重要意义。

二、仪器设备

1. 超微弱发光测量仪（BPCL）：用于记录丙酮催化反应过程中产生的化学发光信号，从而评估配位数与催化性能之间的关系。

2. 高分辨透射电子显微镜（HRTEM）：用于观察Pt-SACs在不同处理温度下的表面形貌，确认Pt单原子的分散状态。

3. 高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）：结合能谱分析（EDS）用于精确表征Pt-SACs的分布和元素组成。

4. X射线光电子能谱（XPS）：分析Pt-SACs的电子结构，揭示其表面氧化态变化。

5. X射线吸收光谱（XAS）与傅里叶变换EXAFS（FT-EXAFS）：用于探测Pt-SACs的配位数与局部结构变化。

三、主要研究内容

研究团队通过调控Pt-SACs的配位数，开发了基于丙酮催化发光快速筛查SACs配位数（CN）的新方法。实验发现，随着Pt-SACs配位数的增加，催化发光信号显著增强，这一现象与Pt原子d带中心位置的下移密切相关。具体来说，Pt-SACs的配位数增加导致Pt-O键的配位数增加，从而使得Pt的d带中心向下移动，进一步提高了丙酮分子的吸附能力，促进了后续的催化反应。表征结果（图1）显示了Pt-SACs的均匀分散情况，表明Pt单原子分散在SiC基底上。在Pt1/SiC-180样品中，Pt的分散状态没有出现纳米颗粒，而是单原子的状态，这为该研究的催化发光信号增强提供了实验基础。

图1. Pt1/SiC-180的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像（a，b）。Pt1/SiC-180的高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像（c，d）。Pt/SiC-240的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像（e，f）。Pt1/SiC-180的能谱（EDS）图，分别为氧（g）、铂（h）、硅（i）和碳（j）。

通过测量不同温度处理的Pt-SACs样品的催化发光强度，研究发现，随着处理温度的升高，Pt-SACs的配位数逐渐增大，丙酮、乙醇和乙腈的催化发光信号也随之增强（图2a-c）。这种增强的发光信号与Pt原子的d带中心位置的下移密切相关，这一现象揭示了配位数对催化性能的直接影响。图3（d）展示了丙酮催化发光信号与Pt-SACs配位数之间的线性关系，证明了该方法可以快速、准确地反映出Pt-SACs的配位环境。实验表明，丙酮作为催化发光探针分子，能够与Pt原子发生强烈的相互作用，从而产生明显的发光信号，这一结果进一步验证了催化发光在表征SACs配位数中的可行性。

图2. （a）丙酮在不同Pt催化剂上的催化发光（CTL）信号。（b）乙醇在不同催化剂上的CTL强度，（c）乙腈在不同催化剂上的CTL强度。CTL实验设置如下：陶瓷棒电压：100 V，气化室加热温度：50°C，气流速率：400 mL/min，采集间隔：1秒。（d）丙酮CTL的对数值与Pt-O配位数（CN）之间的关系图。

研究团队还通过对Fe-SACs的测试，验证了这一方法的普适性。通过对Fe1/NC样品的催化发光测试，发现Fe-SACs的催化发光信号同样与其配位数成正比。这些结果表明，丙酮催化发光不仅适用于Pt-SACs，也适用于其他金属单原子催化剂（如Fe-SACs），显示了这一方法的广泛应用潜力。

四、结论

这项研究为单原子催化剂配位数的快速筛选提供了一种新颖的、简便的新技术，突破了传统X射线吸收光谱的技术瓶颈。过该技术，可以快速评估不同SACs的配位环境，为催化剂的优化设计提供支持。未来，这一方法有望广泛应用于催化剂的表征和优化，尤其是在催化反应和传感领域中具有重要的应用潜力。

因学识有限，难免有所疏漏和谬误，恳请批评指正

原文出处：https://doi.org/10.1002/anie.202401214