化物所納米石墨烯限域單原子鐵催化劑研究新進展

記者劉萬生 通訊員石瑛、陳曉琪 12月14日，中科院大連化物所催化基礎國家重點實驗室鄧德會副研究員和包信和院士帶領的研究團隊在長期研究二維催化材料和納米限域催化的基礎上，成功將FeN₄結構限域在納米石墨烯骨架中，并結合多種高分辨探針手段，首次直接觀察到石墨烯內嵌FeN₄中心的原子結構。該限域結構有效地維持Fe原子配位不飽和狀態，使其具有優異的催化活性和穩定性，能夠在室溫零度高選擇性地催化氧化苯生成苯酚。相關結果近日發表在《科學進展》 (Science Advances, 2015, 1(11): e1500462）上。 

已有研究表明配位不飽和的鐵中心可以表現出比貴金屬更高的催化反應活性。如在生物體內，在細胞色素和甲烷單加氧酶的催化反應中，有機配體和蛋白質可以有效地限域低價鐵中心，使其保持良好的結構柔韌性和高效的催化活性。而類似的配位不飽和鐵中心催化劑在多相催化中的應用卻極具挑戰。早在上世紀60年代，眾多科學家就開始嘗試將具有FeN_-4活性中心的有機大環配合物的分子負載在碳材料上，用于燃料電池及傳統多相催化中分子氧的活化，但是FeN₄大環分子與載體的相互作用往往較弱，易導致自身團聚。此外，由于FeN₄在碳材料上的結構復雜性，一直很難通過有效手段表征或直接觀察到該活性中心的原子結構。

該研究團隊經過五年多的探索，通過高能球磨酞菁鐵分子與石墨烯納米片，通過控制球磨條件，巧妙地利用N原子與石墨烯的C原子形成強的共價鍵，使得N原子作為一個“錨”來穩定配位不飽和的鐵中心。通過與東南大學孫立濤教授研究組，中科院物理所李建奇研究員研究組，加拿大光源，上海同步輻射光源，以及中科院大連化物所王軍虎研究員等人合作，首次觀察到FeN₄在石墨烯骨架中的原子結構。該工作進一步的理論計算表明，形成的FeN4結構能夠在石墨烯骨架中有效穩定，并且能高效分解雙氧水，形成O=FeN-₄=O活性中心，進而可以在室溫零度下催化苯氧化生成苯酚。該研究結果給低溫下高效選擇氧化的非貴金屬催化劑的設計提供了新的研究思路和借鑒。

以上研究得到了國家自然科學基金委、中國科學院納米先導專項和教育部能源材料化學協同創新中心的資助。