image: Metal-normalized activity and mass-specific activity of Ir/MoC catalysts with different Ir content. Ir1 stands for atomically dispersed Ir. The shade highlights that when Ir loading is lower than 4%, the dominant species are Ir1, while it gradually changes the mixture of Ir1, Ir clusters and Ir nanoparticles at higher Ir loading. view more
Credit: ©Science China Press
原子级分散催化剂具有较高的金属原子利用率、独特的电子结构和不饱和配位环境，因而对一些反应展现出较高活性或特殊选择性，受到了催化领域研究者的广泛关注。然而，高分散活性物种往往是热力学不稳定结构，这导致报道的原子级分散催化剂金属载量大多数在1.5 wt%以下。设计开发具有高金属负载量，高热稳定性和高催化性能的催化剂对此类催化剂的工业化应用具有重大意义。
近日，北京大学马丁教授课题组、中国科学院大学周武教授课题组及中国科学技术大学刘进勋研究员合作在《国家科学评论》（National Science Review）发表了题为“Atomically dispersed Ir/α-MoC catalyst with high metal loading and thermal stability for water-promoted hydrogenation reaction”的研究论文。该研究团队利用α-MoC作为载体，通过简单的浸渍方法实现了高分散贵金属Ir物种的负载。结合X射线谱学和球差校正电镜技术，研究者发现Ir物种载量达4%时仍可保持原子级分散；达7%时为Ir原子和Ir团簇的混合；只有当Ir的载量达到12%时才会出现XRD可探测的Ir纳米粒子。实验和理论计算结果表明α-MoC载体与Ir物种之间存在强的相互作用，使得金属Ir在高载量时仍能避免团聚，从而在α-MoC表面维持原子级的高分散。
研究者以喹啉加氢生成1,2,3,4-四氢喹啉为探针反应，对Ir/α-MoC催化剂的加氢反应性能进行了探究。文中首先讨论了催化剂加氢活性与Ir结构的关系：当Ir实现完全原子级分散时（Ir1, Ir wt%≤4%），催化剂的金属归一化活性最高，当过高载量导致Ir团簇和颗粒形成时，金属归一化活性显著下降。这表明Ir1是该反应活性最高的物种。然而，低载量原子级分散催化剂尽管单一位点活性较高，其较低的活性位点密度导致质量活性甚至低于纳米粒子型催化剂，而质量活性是实际生产中需要考量的重要参数。该团队在文中指出，高载量原子级分散催化剂（如4% Ir/α-MoC）和具有高密度单分散位点的催化剂（如7% Ir/α-MoC）才能同时获得较高的金属归一化活性和质量活性，具有更好的应用前景。此外，α-MoC载体赋予Ir/α-MoC屏蔽喹啉中苯环加氢反应的能力。理论计算结果表明喹啉在Ir/α-MoC催化剂上遵循水促加氢机理，而在Ir/C催化剂上遵循直接加氢机理，是两者选择性差异的根本原因。
该研究成果为构建高负载量高热稳定性的原子级分散催化剂体系提供了一种新的研究思路，也提出了水促喹啉加氢的新机理。此项工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院前沿科学重点研究计划和北京市卓越青年科学家计划支持。
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文章信息：
Atomically dispersed Ir/α-MoC catalyst with high metal loading and thermal stability for water-promoted hydrogenation reaction https://doi.org/10.1093/nsr/nwab026Journal
National Science Review