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在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號：22025205、21673215、91945302、22072092、92045301）等資助下，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)路軍嶺教授團(tuán)隊(duì)與李微雪教授等團(tuán)隊(duì)合作，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)出單原子殼層的Au@Pt/SiO2雙金屬催化劑，從而打破了Pt催化劑活性—選擇性的“蹺蹺板”困境，在溫和條件下實(shí)現(xiàn)了高活性、高化學(xué)選擇性加氫。研究成果以“單原子殼層雙金屬催化劑打破尺寸調(diào)控加氫活性和選擇性的兩難困境（Bimetallic monolayer catalyst breaks the activity–selectivity trade-off on metal particle size for efficient chemoselective hydrogenations）”為題，于2021年10月18日在線發(fā)表在《自然×催化》（Nature Catalysis）上。論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41929-021-00679-x。
負(fù)載型金屬納米催化劑是一類重要的催化劑，廣泛應(yīng)用于石油化工、煤化工、精細(xì)化工、環(huán)境等領(lǐng)域。取得高選擇性是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)催化的關(guān)鍵，然而在大多數(shù)情況下，高選擇性往往通過犧牲催化活性來實(shí)現(xiàn)。其中，對于化學(xué)選擇性加氫反應(yīng)，由于多種官能團(tuán)可一同參與反應(yīng)，同時實(shí)現(xiàn)高活性和高選擇性更具挑戰(zhàn)。
針對上述難題，該課題組首先利用原子層沉積（ALD）技術(shù)精準(zhǔn)制備的特點(diǎn)，制備了具有不同Pt顆粒尺寸的Pt/SiO2催化劑，發(fā)現(xiàn)該系列催化劑在鹵代硝基苯選擇性加氫反應(yīng)中的活性和選擇性隨Pt顆粒尺寸呈"蹺蹺板"關(guān)系。通過理論計(jì)算，對比研究了Pt(111)、Pt(211)、Pt55和Pt147模型表面的吸附和催化加氫特性，揭示了幾何效應(yīng)和電子效應(yīng)在對氯硝基苯加氫反應(yīng)的各自貢獻(xiàn)以及隨尺寸演化規(guī)律。理論研究結(jié)果進(jìn)一步表明，基于晶格拉伸以及配體效應(yīng)帶來Pt 5d帶中心的上移，可以提升加氫活性，而且平臺面的維持可以保持高選擇性。在此研究基礎(chǔ)上，該課題組再次利用ALD技術(shù)精準(zhǔn)構(gòu)筑出不同殼層厚度的Au@Pt/SiO2核殼型雙金屬催化劑。多尺度結(jié)構(gòu)表征表明，Au@Pt/SiO2雙金屬催化劑展現(xiàn)出明顯區(qū)別于Pt單金屬催化劑的電子特征，且Pt殼層面內(nèi)出現(xiàn)晶格膨脹，在溫和條件下同時實(shí)現(xiàn)高活性和高化學(xué)選擇性加氫，成功打破了Pt催化劑活性—選擇性的“蹺蹺板”困境（圖1）。
單殼層的雙金屬核殼催化劑中獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，為未來設(shè)計(jì)維持高貴金屬利用率、高化學(xué)選擇性和高活性的催化劑提供了一種有效策略。
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