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 通讯员石瑛、陈晓琪 12月14日，中科院大连化物所催化基础国家重点实验室邓德会副研究员和包信和院士带领的研究团队在长期研究二维催化材料和纳米限域催化的基础上，成功将FeN4结构限域在纳米石墨烯骨架中，并结合多种高分辨探针手段，首次直接观察到石墨烯内嵌FeN4中心的原子结构。该限域结构有效地维持Fe原子配位不饱和状态，使其具有优异的催化活性和稳定性，能够在室温零度高选择性地催化氧化苯生成苯酚。相关结果近日发表在《科学进展》 (Science Advances, 2015, 1(11): e1500462）上。

已有研究表明配位不饱和的铁中心可以表现出比贵金属更高的催化反应活性。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域低价铁中心，使其保持良好的结构柔韧性和高效的催化活性。而类似的配位不饱和铁中心催化剂在多相催化中的应用却极具挑战。早在上世纪60年代，众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的分子负载在碳材料上，用于燃料电池及传统多相催化中分子氧的活化，但是FeN4大环分子与载体的相互作用往往较弱，易导致自身团聚。此外，由于FeN4在碳材料上的结构复杂性，一直很难通过有效手段表征或直接观察到该活性中心的原子结构。

该研究团队经过五年多的探索，通过高能球磨酞菁铁分子与石墨烯纳米片，通过控制球磨条件，巧妙地利用N原子与石墨烯的C原子形成强的共价键，使得N原子作为一个“锚”来稳定配位不饱和的铁中心。通过与东南大学孙立涛教授研究组，中科院物理所李建奇研究员研究组，加拿大光源，上海同步辐射光源，以及中科院大连化物所王军虎研究员等人合作，首次观察到FeN4在石墨烯骨架中的原子结构。该工作进一步的理论计算表明，形成的FeN4结构能够在石墨烯骨架中有效稳定，并且能高效分解双氧水，形成O=FeN­4=O活性中心，进而可以在室温零度下催化苯氧化生成苯酚。该研究结果给低温下高效选择氧化的非贵金属催化剂的设计提供了新的研究思路和借鉴。

以上研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院纳米先导专项和教育部能源材料化学协同创新中心的资助。