揭示单原子驱动载体表面动态碳化新机制

近日，中国科学院大连化学物理研究所张涛院士、副研究员杨冰团队，与上海高等研究院研究员朱倍恩合作，在单原子催化剂动态催化机制研究方面取得新进展。团队发现单原子不仅提供活性位点，同时还可以在长时反应过程中诱导载体表面碳化，进而大幅提升反应活性。相关成果发表于《化学》Chem上。

自2011年张涛等首次提出单原子催化概念以来，单原子催化剂（SACs）由于其特殊的活性、选择性以及原子利用率最大化等特点，逐渐成为催化领域的研究热点。尽管已有工作揭示了单原子位点对反应物活化、产物选择性的重要催化作用，但是，SACs在实际反应过程中的动态结构演变的识别与调控仍有待进一步探索。

本工作中，研究人员发现单原子催化剂（Pd1-FeO_x）在二氧化碳加氢反应过程中的长时诱导期，可促进CO₂转化率从17%逐渐增加到28%，并保持98%以上的CO选择性。相比而言，负载型纳米颗粒催化剂（Pd-NPs-FeO_x）则一直保持稳定的催化活性和选择性。进一步通过原位表征、结构分析和理论计算等手段发现，Pd单原子不仅可以在反应初期提供高效的催化活性位，同时在长时反应过程中还可以促进FeO_x载体的动态碳化，获得高活性的Fe₅C₂活性相，从而显著提高CO₂转化率并降低活化能至27.7kJ/mol。相比之下，Pd纳米颗粒与载体（FeO_x）则发生强金属载体相互作用（SMSI），产生的FeO_x包覆抑制了FeO_x的深度还原与碳化。

本研究加深了对单原子催化的理解，揭示了反应环境下单原子位点对载体结构的动态作用机制，为单原子催化剂界面结构设计提供了新的启发。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.08.012