近日，biwn必赢郑南峰教授与傅钢教授课题组合作在碱金属离子促进单原子分散金属位点催化加氢机理的研究中取得重要进展，相关成果“Alkali ions secure hydrides for catalytic hydrogenation”发表于Nature Catalysis （Nat. Catal., 2020, DOI：10.1038/s41929-020-0481-6）。
在多相催化领域，碱金属常被用作“万能”助剂，用于改性金属催化剂，以提升系列重要催化反应（例如氧化、脱氢、加氢、费托、三效催化、合成气转化、电解水等）的性能，其提升催化性能的原因常被笼统归为电子助剂的作用。但在很多催化反应中碱金属常以金属离子形式存在，长期以来人们对碱金属的电子助剂机制一直存在争议。该项研究以选择性催化加氢为目标反应、氧化物负载的单原子金属催化剂为催化剂体系，揭示了碱金属离子提升金属催化材料加氢性能的分子机制。
氧化物负载的金属纳米颗粒催化剂广泛应用于不同品种精细化学品（例如药物、染料、食品添加剂、香料等）的工业生产。金属纳米颗粒组分往往通过与氧化物载体之间形成较强的Md+-O2-键确保金属颗粒高度分散度和稳定性。但在催化氢化过程中，分子H2可以在金属-氧化物载体界面通过异裂方式活化为氢化物（Md+-Hδ-）和质子（O-Hδ+）。这些活泼氢物种除了参与催化底物的加氢外，还可以将界面处带正电荷的催化金属物种还原为零价金属，破坏金属-氧化物界面间的化学作用，并直接导致催化金属中心的团聚，催化性能下降。研究团队在合成Al2O3负载的单原子分散Ru催化剂（有Na+和没有Na+稳定的两种催化剂）的基础上，通过实验与理论计算的紧密结合，证明了Al2O3负载的单原子Ru催化中心附近的Na+离子在提升催化加氢性能中扮演着两种重要作用：（1）有效地阻止催化金属Ru(III)中心上活化氢化物向附近氧物种转移，防止单原子分散Ru(III)的还原团聚长大；（2）通过稳定带负电的加氢反应中间体和过渡态，提升单原子Ru(III)的催化加氢活性。系统研究表明，碱金属离子促进的Ru1/Al2O3催化剂对多种芳族和杂环底物的氢化具有很高的活性和稳定性，还存在独特的H/D反同位素效应。
该工作由郑南峰教授和傅钢教授共同指导。实验部分主要由已毕业博士生秦瑞轩完成，理论计算研究主要由博士后周凌云完成。biwn必赢已毕业博士生刘朋昕、许潮发、赵云、刘锟隆，以及中科院物理所谷林研究员和拱越博士参与部分实验研究与课题讨论。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等的资助和支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-020-0481-6
