科研成果

原子级分散金属催化剂因其结构明确、原子利用率高，已成为非均相催化领域具有重要应用前景的材料。尤其是双原子催化剂因其高金属负载量、不同金属原子的灵活组合以及独特的微环境，使其催化性能远优于单原子催化剂。存在的主要科学与技术问题是双原子位点分布无序、间距不可控、原子易团聚、成对率低等。

近日，我校能源与材料化学研究院武利民教授、化学化工学院刘健教授团队联合香港城市大学黄勃龙教授，提出了一种创新的配体限制策略，即利用二胺与g-C₃N₄之间的有机-无机非共价键相互作用和二胺与双金属前体间的有机-金属之间的配位作用，在g-C₃N₄载体表面对金属原子的配对过程与空间排布进行有效限制。该“锚定-限制”机制从源头上抑制了金属原子的无序迁移，引导其定向形成原子对，从而确保了结构的高成对率与稳定性。基于该策略合成的Pt₂/g-C₃N₄-HA同核双原子催化剂成对率高达83%。基于该策略合成的Pt₁–Au₁/g-C₃N₄-HA异核双原子催化剂成对率高达82%，均显著高于已有研究报道。双原子之间的距离从0.22到0.81nm，可以通过乙二胺、己二胺、芳香二胺实现精准调控。该研究工作不仅为原子尺度催化材料的精准合成提供了新策略，也对理解非均相催化中的纳米尺度反应机制具有重要启示。相关工作于10月24日以“Ligand-restricted synthesis of highly paired dual-atom catalysts”为题在线发表在国际顶尖学术期刊Nature Materials上。内蒙古大学师资博士后马严富为第一作者，武利民、刘健、黄勃龙为共同通讯作者。

在硝酸根还原为氨反应中，采用乙二胺配体实现Pt–Au成对异核双原子催化剂，氨产率从255 mg h^-1 mg_metal^-1提升至556 mg h^-1 mg_metal^-1，证明有效的Pt–Au双原子配对可促进二者协同催化，显著提升反应活性。进一步使用链长更长的己二胺配体，虽然导致Pt–Au原子间距增大，但氨产率进一步提高至744 mg h^-1 mg_metal^-1。电子结构分析表明，当Pt–Au原子间距较近时，二者之间存在明显的电子转移，改变了各自的电子结构，进而影响对反应物及中间体的吸附行为。该结果证实，适中的原子间距是双原子催化剂发挥最优催化性能的关键。

该研究提出的配体限制合成策略，一方面通过金属原子与二胺配体、载体间的配位作用，将双原子成对率提升至82%以上，有效解决了传统方法中原子分散不均、易团聚的难题；另一方面，通过调控配体分子链长，实现了双原子间距的精确调控，为在原子尺度优化协同催化环境提供了可控手段。该策略具有良好的普适性，可拓展至多种同核/异核双原子催化剂体系，并通过灵活调整配体尺寸实现金属原子间距的精准、高效调控。不仅为双原子催化剂的结构化设计提供了新范式，也为其在多种催化反应中的实际应用提供了新的技术解决方案。

该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金（22279139、22572012）、内蒙古自治区自然科学基金、内蒙古大学高层次人才计划以及内蒙古自治区草原英才计划等项目支持。