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单原子催化剂是一类非常重要的多相催化剂。凭借其独特的电子几何结构，人们发现单原子催化剂可在多个催化反应中表现出优异的催化性能。然而，当一个反应涉及两个或两个以上反应分子活化时，由于缺乏足够的催化活性吸附位点，其催化活性往往受到一定程度的抑制。因此，如何提高单原子催化剂的催化活性是人们面临的一个重大的科学难题。双原子催化剂，由于其结构的灵活性和相邻原子间的协同催化作用，其催化性能往往优于相应的单原子催化剂。原子间的距离在双原子协同催化中发挥着至关重要的作用，随着相邻原子间距的改变，其催化性能也表现出巨大的差异。因此，如何精细调控双原子间的距离是实现催化性能最优化的关键。
近日，中国科学技术大学路军岭教授与孙治湖教授、张文华副教授合作，通过利用原子层沉积技术 (ALD)，充分利用催化剂ALD制备过程中金属有机前驱体间的空间位阻效应，实现了Pt1Ni1异核双原子原子间距的调控，在C3N4载体上精准制备出Pt1Ni1双原子和Pt1+Ni1双单原子催化剂。他们以氨{attr}3225{/attr}放氢为探针反应，系统研究了Pt1-Ni1距离变化对氨硼烷放氢反应的影响。
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高分辨电镜结果表明，由于金属前驱体间的空间位阻效应，Pt1+Ni1双单原子的原子间距 (4.9 Å) 远远大于Pt1Ni1双原子 (2.5 Å)。谱学结果证明在Pt1Ni1双原子结构中发生了明显的电子转移，而在Pt1+Ni1双单原子中并不存在。在氨硼烷放氢反应中，他们发现其放氢速率与Pt1-Ni1间距离呈反比例关系，Pt1Ni1双原子催化剂性能达到最佳，其比质量活性高达1444 molH2 molPt-1 min-1，大约是Pt1单原子和Pt1+Ni1双单原子催化剂的13和2倍。理论计算结果进一步表明，Pt1Ni1双原子中桥连的-OH能有效促进水的解离，而Pt1则能促进B-H键的裂解，从而促进双原子间双功能高效协同催化。
该工作从原子水平上深入理解了异核双原子催化剂原子间距对催化反应性能的影响，为高效双原子催化剂的设计，提供了新的思路。
论文信息
Dehydrogenation of Ammonia Borane by Platinum—Nickel dimers: Regulation of Heteroatom Interspace Boosts Bifunctional Synergetic Catalysis
Si Chen+, Bingbing Gong+, Jian Gu+, Yue Lin, Bing Yang, Qingqing Gu, Rui Jin, Qin Liu, Wenxiang Ying, Xianxian Shi, Wenlong Xu, Lihua Cai, Yin Li, Zhihu Sun*, Shiqiang Wei, Wenhua Zhang*, and Junling Lu*.
文章的第一作者是中国科学技术大学博士后陈飔、博士龚兵兵和博士后古健。
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202211919
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