破解二硝基芳烃加氢难题！最新Nature子刊！

第一作者：Yang Si，Yueyue Jiao

通讯作者：刘洪阳，刁江勇，马丁

通讯单位：中国科学院金属研究所，北京大学

刘洪阳，博士，研究员，亚纳米尺度金属催化材料研究团队负责人，中科院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心与中国科技大学博士生导师。自2011年起，先后承担，国家基金委-重大研究计划集成项目、国家基金委企业创新发展联合基金重点基金、国家基金委-内地香港联合基金、国家基金委-重大研究计划重点基金（合作单位负责人）、国家基金委-重大研究计划培育项目、国家基金委-面上基金（2项）、国家基金委-青年基金等。

马丁，北京大学教授，博士生导师。新基石研究员、首届民珠学者奖、教育部长江学者特聘教授 、国家杰出青年基金获得者、中国催化青年奖 、英国皇家化学会会士 、王选青年学者奖 、国家优秀青年基金获得者。

研究方向：针对能源和环境中的催化问题，在环境友好、资源合理利用的前提下，设计新催化过程，构建新型高效催化剂体系，并结合operando表征手段来解决催化过程中的重要科学问题。

论文速览

对于二硝基芳烃加氢反应，由于涉及两个硝基加氢过程的复杂性，实现高活性和高选择性的多步加氢还是一个挑战。

本论文研究了一种新型全暴露铂簇催化剂（Ptn/ND@G），其由纳米金刚石@石墨烯（nanodiamond@graphene，ND@G）负载的平均四个Pt原子团簇所组成，在室温下对2, 4-二硝基甲苯（2, 4-DNT）多步加氢反应具有优异的催化性能。该催化剂的转化频率（TOF）高达40647 h-1，显著优于已知的单Pt原子催化剂、Pt纳米粒子催化剂及其他催化剂。

通过密度泛函理论（DFT）计算和吸附实验，发现Ptn/ND@G中多个活性位点的协同作用有助于反应物和氢气的共吸附/活化，以及中间体/产物的解吸，这是其比单Pt原子催化剂和Pt纳米粒子催化剂具有更高催化活性的关键。

图文导读

图1：Ptn/ND@G和Pt1/ND@G的微观表征。

图2：催化剂的同步辐射XAFS和XPS测量结果。

图3：2, 4-DNT加氢反应的催化性能。

图4：Ptn/ND@G催化二硝基芳烃/硝基芳烃加氢反应的底物范围。

图5：2, 4-DNT在Pt1@Gr、Pt4@Gr和Pt(111)上的三种可能的吸附模型及其对应的吸附能量。

图6：2, 4-DNT加氢反应的机理研究。

总结展望

本研究成功开发了一种高效的全暴露铂簇催化剂Ptn/ND@G，该催化剂在多步骤加氢反应中展现出卓越的催化性能和稳定性。DFT计算和吸附实验揭示了催化剂活性位点的协同效应，为设计和开发新型多步骤氢化反应的催化剂提供了新思路。本工作不仅为合成中间体的工业应用提供了高效的催化解决方案，也为未来催化剂设计提供了重要的理论和实验基础。

文献信息

标题：Fully exposed Pt clusters for efficient catalysis of multi-step hydrogenation reactions

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-49083-6