层状化合物层间合成单原子层厚度贵金属片层薄膜催化剂

Developing catalysts with high performance has been the major interests for the scientists in the research area of catalysis and material. Recent improvements in synthesis and characterization techniques have led to the development of the smallest heterogeneous‘particles’ possible — supported single atom catalysts. However, its stability is still the major challenge for practical application. In this application, we propose a new conceptual catalyst “single-atom-layer catalyst”. We plan to employ Layered Inorganic Compounds (LICs) as a quasi-closed flat nano-reactor to produce single-atom-layer catalyst. By means of the limited space and quasi-closed characteristics of the LICs, we aim to fabricate two-dimensional precious metal (such as Pt, Pd, Au, Ir, Ru) catalysts with the monoatomic layer thick but several nanometer long and wide. All atoms of single-atom-layer catalyst are in low catalyst coordination state, thus, the catalyst will obtain a high activity comparable to that of a single-atom catalyst, but better stability than that of single atom catalyst and traditional nano-catalyst.

催化剂的研究从最初的组分设计，经历了形貌、尺寸控制，到今天已发展到晶面调节、分子、原子水平上的几何结构和电子结构的精细调控。本申请提出“单原子层催化剂”的学术思想。控制催化剂金属粒子在x、y二维方向有序组装至微纳尺度，z方向限制在原子尺度，以获取类似单原子催化剂的量子性质和纳米催化剂稳定性质。申请拟通过层状化合物层间亚纳级空间限制制备具有纳米或微米级二维尺度、单原子层厚度的Pt、Pd、Au、Ir、Ru单原子层催化剂，该类催化剂所有原子均处于低配位状态，可获得与单原子催化剂相媲美的高活性，但优于单原子催化剂和传统纳米催化剂的稳定性。

贵金属晶体因其在催化、能量转换等诸多领域的广泛应用而受到关注。如何在增加贵金属质量活性(MA)的同时减少贵金属的消耗，促使科研人员对调整金属表面原子的电子结构和配位特性进行深入研究，特别是配位特征，因为配位环境和配位数在催化过程中起着关键作用。单原子、单层或少层原子的贵金属薄膜，具有量子尺寸和更多的原子暴露在外表面，以其丰富的表面悬挂键，引起了科学界，特别是界面科学界的极大兴趣。一个具有自支撑的单原子层金属薄膜，其所有原子在一个维度中的配位为零，而在另两个维度中可以保持金属晶体结构的配位，有望保留较多的悬挂键，从而期望出许多非常规的物理、光学、化学和电子特性。本项目在层状氧化物的埃级层间中，控制金属在其二维平面的层间扩散和生长，制备出自支撑单原子层钯和钯-钴合金膜薄膜。首次发现在这种完全二维配位/键合作用下，金属材料的价带和空带表现出一种不寻常的分裂，在x-y平面上，出现一个较低的能带，提高了稳定性，而在z方向上出现一个较高的能带，增加了反应活性。因此，该材料在没有强配位（保护）的作用下，既能稳定存在，又有丰富的悬挂键，从而产生了一些特殊的性质和功能，这是其它维度材料（如0维，3维）所无法达到的。依托于国家自然科学基金项目“层状化合物层间合成单原子层厚度贵金属片层薄膜催化剂”项目（批准号：21573029），发表SCI论文共计18篇，其中一区论文12篇，包括Chem （1篇），Angew. Chem. Int. Ed.（2篇），ACS Energy Lett.（1篇），Sci. Bull.（1篇），二区论文3篇，中文核心期刊2篇。