我國利用石墨炔實現零價金屬原子催化的突破

　　在國家自然科學基金委員會重大項目資助下，中國科學院化學研究所石墨炔研究團隊建立了原子催化的新理念，改變了傳統的催化觀念，實現了該領域至今沒破的難題。研究成果以“Anchoring zero valence single atoms of nickel and iron on graphdiyne for hydrogen evolution”為題于2018年4月13日在Nature Communications（《自然-通訊》）上在線發表。

零價過渡金屬原子催化劑的合成

　　過渡金屬原子催化劑是催化領域的研究前沿，目前過渡金屬單原子催化劑主要是以團簇的形式存在，價態不能確定或不是整數價態。近幾年來科學家們一直期待零價過渡金屬原子催化劑的出現，因此，制備零價過渡金屬原子催化劑是催化領域的巨大挑戰。2010年首次化學合成了碳新同素異形體—石墨炔，開拓了碳科學研究的新領域，從石墨炔特殊的化學結構和電子結構出發在理論上和實驗上成功解決了該領域的系列基礎科學問題，并與青島生物能源所、香港理工大學和蘇州納米所等合作，拓展了石墨炔在催化、能源、電化學驅動器以及光電性質等方面的研究（Nat. Commun. 2017, 8,1172；Nat. Commun. 2018, 9,752；Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 774和Adv. Mater. 2018, DOI:10.1002/adma.201707082），發現了優異性能，特別是在電能與機械能量轉換方面。提出了炔-烯化學鍵轉換新的致動機理，改變了傳統電化學驅動器的電容致動機理。石墨炔驅動器比電容高達237 F g-1，換能效率高達6.03%，遠高于目前的電化學換能器件（換能效率低于1%），創造了電化學驅動器電能與機械能轉換新的紀錄

　　近期他們提出了通過石墨炔的炔鍵、超大的表面和孔洞結構與過渡金屬催化原子之間的協同作用，在石墨炔上成功負載了過渡金屬Ni和Fe等零價原子并實現了其表面活性組分的高度分散（如圖），解決了傳統載體上作為團簇存在的單原子催化劑易遷移、聚集和電荷轉移不穩定等關鍵問題。石墨炔負載的零價過渡金屬催化劑在催化過程中展示了高的穩定性，催化劑中金屬含量僅有傳統單原子催化劑的萬分之一，但催化性能更為優異，過電位0.2 V時，該催化劑質量活性是Pt/C（20 %）的34.6倍，該鐵和鎳催化單位面積最大活性位點數分別是 (2.56 ×1016)和 (2.38×1016)，分別是 Pt(111) (1.5×1015)的17倍和15.8倍，并在酸體系下顯示了超高的穩定性。原子催化劑的出現為發展新型高效催化劑開拓了新的方向。該成果于2018年4月13日在《Nature Communications》上發表。獲得自然雜志副主編及同行高度評價：我們十分贊賞您將單個鎳原子錨定在石墨炔載體上的方法，這具有巨大潛在價值??????； Xue等人將Ni(0)/Fe(0)原子負載到石墨炔框架中，制備了新的原子催化劑具有很強挑戰性??????；十分有意義的是，在沒有任何官能團的情況下，石墨炔高效地錨定Ni和Fe原子??????；富含三鍵的石墨炔錨定鎳鐵原子顯示高效的析氫電催化活性，為多相催化和電催化應用開發更多的原子催化劑提供了嶄新理念。