劉忠范

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

Pt1/hNCNC單位點催化劑的形貌與氫析出性能：(a) HAADF-STEM照片；(b) EXAFS圖譜，其中Pt/hCNC表示通過相同方法在未摻雜碳納米籠上構建的催化劑，Pt-NPs/hNCNC表示hNCNC負載的Pt納米粒子催化劑，Pt1/hNCNC和Pt/hCNC中Pt載量均為2.92% (w，質量分數)；(c)氫析出線性掃描伏安譜，其中Pt1/hNCNC后接數值表示Pt載量(%)；(d)氫析出穩(wěn)定性，Pt1/hNCNC和Pt/hCNC中Pt載量均為2.92% (w)，Pt/C中Pt載量為20% (w)。

單位點催化劑(文獻中也時常稱為單原子催化劑)是負載型催化劑的極限，因其最大的原子利用率、獨特的催化性能、均一的配位環(huán)境等特點成為近年來科學研究的前沿熱點1。金屬單原子表面能高，容易團聚，其制備過程通常較為復雜，因此，方便地構建穩(wěn)定性高的單位點催化劑對于開展相關基礎或應用研究均意義重大2-4。

近年來，南京大學胡征教授領銜的能源納米材料物理化學課題組發(fā)展了具有自主知識產權的技術路線，開發(fā)出具有新穎介觀結構、高比表面積、微孔-中孔-大孔共存、便于摻雜調變的碳基納米籠新材料，展現出一系列十分優(yōu)異的能源轉化及儲存性能5-7。本項研究中，他們以氮摻雜碳納米籠(hNCNC)作載體，利用籠壁上豐富的微孔(～0.6 nm)易于捕獲金屬配位陰離子、摻雜氮原子利于錨定金屬原子的協(xié)同作用，通過最簡單的浸漬-吸附-烘干(70 °C)過程，制得了M1/hNCNC (M = Pt、Pd、Au、Ir等)單位點貴金屬催化劑。Pt1/hNCNC催化劑的Pt載量可高達5.68% (w，質量分數)，在酸性介質中表現出極低的氫析出過電位、超高的質量活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性(見上圖)。通過理論和實驗研究揭示了Pt單位點催化劑的形成機制及其優(yōu)異穩(wěn)定性的根源。本項研究揭示的微孔捕獲和雜原子錨定的協(xié)同作用為方便構建高穩(wěn)定單位點催化劑提供了新的思路和方法，對于促進單位點催化劑的基礎研究和實際應用具有重要價值。相關論文最近發(fā)表于Nature Communications雜志上8。該研究得到了國家自然科學基金重點項目、科技部納米重大研究計劃等項目的資助。