纳米石墨烯限域单原子铁催化剂研究取得新进展

记者刘万生、通讯员应时、陈晓琪12月14日，中科院大连化学所催化国家重点实验室副研究员邓德辉和鲍新河院士在长期研究二维催化材料和纳米复合催化的基础上，成功地将FeN4结构限定在纳米石墨烯骨架上，并结合多种高分辨率探针方法，首次直接观察到嵌入石墨烯中的FeN4中心的原子结构。有限域结构有效地保持了铁原子的配位不饱和状态，具有优异的催化活性和稳定性，能够在室温和零度下高选择性地催化氧化苯生成苯酚。相关结果最近发表在《科学进展》，2015年，1 (11): e1500462。

先前的研究表明，配位不饱和铁中心比贵金属具有更高的催化活性。例如，在生物体内，在细胞色素和甲烷单加氧酶的催化反应中，有机配体和蛋白质可以有效地限制低价铁中心，使其保持良好的结构灵活性和高效的催化活性。然而，相似配位不饱和铁中心催化剂在多相催化中的应用极具挑战性。早在20世纪60年代，许多科学家就开始尝试将具有FeN4活性中心的有机大环配合物分子负载在碳材料上，用于燃料电池和传统多相催化中的分子氧活化。然而，fen4大环分子和载体之间的相互作用通常很弱，并倾向于导致自凝聚。此外，由于碳材料上的四氟化硫的结构复杂性，很难用有效的方法表征或直接观察活性中心的原子结构。

经过五年多的探索，该研究团队巧妙地利用石墨烯的N原子和C原子，通过铁酞菁分子和石墨烯纳米片的高能球磨形成强共价键，并控制球磨条件，使N原子起到“锚”的作用，稳定配位不饱和铁中心。通过与东南大学孙立涛教授课题组、中国科学院物理研究所李建起课题组、加拿大光源、上海同步辐射光源、中国科学院大连化学研究所王课题组的合作，首次观察到石墨烯骨架中FeN4的原子结构。进一步的理论计算表明，所形成的FeN4结构可以有效稳定地存在于石墨烯骨架中，过氧化氢可以有效地分解形成o = fen4 = o的活性中心，从而进一步催化苯在室温零度氧化成苯酚。研究结果为低温高效选择性氧化非贵金属催化剂的设计提供了新的研究思路和参考。

以上研究得到了国家自然科学基金、中国科学院纳米试点项目和教育部能源与材料化学合作创新中心的支持。