WikiEdge:ArXiv-2409.13560

• 標題：Advancing single-atom catalysts: engineered metal-organic platforms on surfaces
• 中文標題：推進單原子催化劑：表面上的工程化金屬有機平台
• 發佈日期：2024-09-20 15:00:13+00:00
• 作者：Amogh Kinikar, Xiushang Xu, Takatsugu Onishi, Andres Ortega-Guerrero, Roland Widmer, Nicola Zema, Conor Hogan, Luca Camilli, Luca Persichetti, Carlo A. Pignedoli, Roman Fasel, Akimitsu Narita, Marco Di Giovannantonio
• 分類：cond-mat.mtrl-sci
• 原文連結：http://arxiv.org/abs/2409.13560v1

摘要：近年來，納米材料的進步已經將納米級製造推向了單原子（SAs）的極限，特別是在異質催化中。單原子催化劑（SACs），由微量的過渡金屬分散在惰性基質上，已經成為這個領域的突出材料。然而，克服這些單原子在超過低溫的情況下聚集的趨勢，並且在表面上精確排列它們，是一個重大的挑戰。使用有機模板來組織和調節單原子的活性具有前景。在這裏，我們介紹了一種新的單原子平台（SAP），在這個平台上，原子被牢固地錨定在分佈在基於碳的聚合物上的特定配位位點，通過表面合成（OSS）合成。這些SAPs即使在較高的溫度下也表現出原子級的結構精度和穩定性。活性位點的電子態的不對稱性預示着這些精確定義的反應中心的增強反應性。在低溫下暴露於CO和CO2氣體時，SAP表現出優秀的捕獲能力。微調配位位點的結構和性質提供了在定製功能方面無與倫比的靈活性，從而為催化應用中以前未被開發的潛力開闢了新的途徑。

問題與動機

作者的研究問題包括：

• 如何在超低溫以上精確地排列和穩定化單個原子催化劑（SACs）？
• 如何在表面上精確地安排單個原子催化劑（SACs）以克服它們聚集成簇的傾向？
• 如何利用有機模板來調節和操縱單個原子的活性？
• 如何通過改變分子前體來調整目標產物的結構和電子性質？
• 如何通過在表面上合成的方法來創建具有特定功能化的原子級精確的SACs？
• 如何實現在低溫度下對CO和CO2氣體的高效捕獲？
• 如何在室溫下完全釋放捕獲的氣體，以實現SACs的循環再利用而不發生中毒？

背景介紹

這篇文獻的背景主要集中在以下幾個方面：

1. 單原子催化劑的發展：
   • 隨着納米材料科學的進展，製造技術已經能夠達到單原子（SAs）的極限，尤其是在異質催化領域。
   • 單原子催化劑（SACs）由分散在惰性基底上的微量過渡金屬組成，在這一領域已成為突出的材料。
   • 這些SACs在低溫下保持穩定不聚集以及在表面上精確排列存在顯著挑戰。
2. 有機模板的應用：
   • 使用有機模板來調控和調節單原子的活性具有潛力。
   • 本研究介紹了一種新型單原子平台（SAP），其中原子牢固地錨定在沿碳基聚合物分佈的特定配位位點上，通過表面合成（OSS）方法合成。
   • 這些SAPs即使在高溫下也展現出原子級別的結構精度和穩定性。
3. 電子態的不對稱性：
   • 活性位點的電子態不對稱性預示着這些精確定義的反應中心的增強反應性。
   • 通過CO和CO2氣體在低溫下的暴露，SAP展示了出色的捕獲能力。
   • 通過微調配位位點的結構和性質，提供了在催化應用中前所未有的潛力。

章節摘要

這篇論文是關於單原子催化劑（SACs）的研究，主要內容包括：

1. 引言：
   • 催化劑在現代社會中扮演着重要角色，尤其是在製藥和冶金領域。
   • 單原子催化劑（SACs）通過最大化功能實體的利用率，提高了原子經濟性。
   • SACs中的原子分散在惰性基底上，表現出與傳統金屬簇和納米粒子不同的特性。
   • 精確的化學環境定義了SACs的催化特性，帶來了製備上的挑戰。

1. 單原子平台的構建：
   • 通過在表面上合成（OSS）的方法，將原子牢固地錨定在碳基聚合物的特定配位位點上。
   • 這些平台在高溫下表現出原子級別的結構精度和穩定性。
   • 活性位點的電子態不對稱性預示着這些精確定義的反應中心的增強反應性。

1. 實驗方法和材料：
   • 使用了DBAP-tpy分子前體，在Au(111)表面上通過UHV條件下的脫鹵化反應合成了1D聚合物。
   • 通過STM和nc-AFM成像，以及DFT模擬，對材料進行了表徵。

1. 結果與討論：
   • 聚合物鏈通過分子前體的設計和表面限制實現高選擇性的共價耦合。
   • 實驗和模擬的nc-AFM圖像顯示了tpy單元的分子結構。
   • 通過原子氫處理成功去除了表面的溴原子，並通過控制鈷原子的劑量實現了tpy單元的精確配位。
   • 通過DFT計算確認了鈷原子在tpy口袋中的結合能，預示着活性位點的高穩定性。

1. 對CO和CO2的吸附測試：
   • SAC在低溫下對CO和CO2表現出優異的捕獲能力。
   • 通過STM和nc-AFM成像觀察到CO分子與鈷原子的相互作用。
   • 在CO2存在下，觀察到CO2分子與鈷原子的弱相互作用。

1. 結論和展望：
   • 展示了一種通過表面化學協議合成有機聚合物的方法，該方法可以穩定金屬原子。
   • 通過改變分子前體，可以調整結構和電子性質，從而創建一系列原子精確的SACs。
   • 這些SACs在催化應用中展現出巨大潛力，尤其是在CO2轉化方面。
   • 未來的工作將集中在這些SACs的催化特性上，以期達到生物酶的多功能性和特異性。