他，两院院士/「国家杰青/长江特聘」/天师大校长，新发Nature子刊！
学术
2025-01-27 11:28
江西
在整个催化反应过程中精确管理电子转移途径，对于提高催化剂的功效和耐久性至关重要，为解决围绕主体结构不稳定和循环寿命退化的问题提供了关键的解决方案。2025年1月25日，天津大学巩金龙院士和华中师范大学刘晓教授团队在国际顶级期刊Nature Communications发表题为《Suppressing Jahn-Teller distortion of MnO2 via B-Ni dual single-atoms integration for methane catalytic combustion》的研究论文，Huayu Gu为论文第一作者，巩金龙院士和刘晓教授为论文共同通讯作者。巩金龙，欧洲科学院和加拿大工程院外籍院士，天津大学教授，博士生导师。国家首批“万人计划”入选者，国家杰青，教育部长江学者特聘教授，国家重点研发计划项目（基础前沿类）首席科学家，英国皇家化学学会（FRSC）、中国化工学会和中国化学会会士。2001年在天津大学获学士学位，2004年在天津大学获硕士学位，2008年在美国得克萨斯大学奥斯汀分校获博士学位，2007-2010年，先后在美国太平洋西北国家实验室做访问学者，在美国哈佛大学从事博士后研究，师从George M.Whitesides。巩金龙院士主要从事多相催化、能源化工应用基础研究，在人工光合作用、烷烃脱氢和CO2转化与利用等领域取得系统研究进展。围绕能源催化过程中的微观本质问题，从亚纳米、纳米、亚微米三个尺度，系统研究了电子结构、缺陷结构和空间限域结构对表界面催化过程的影响规律。提出了利用催化剂表界面电子结构对催化活性进行调控的普适性方法；建立了催化剂缺陷位的新型调控方法；发现了催化剂空间限域结构能量传递的微观影响机制。刘晓，华中师范大学教授、博士生导师。在华中科技大学获学士学位，在中国科学院大连化学物理研究所获博士学位，师从杨启华研究员，2012-2015年在日本丰田中央研究所从事博士后研究。刘晓教授的研究方向围绕可挥发性有机污染物催化消除，能源/环境有机小分子催化转化，以及多相催化机理与多介质表界面行为。在本文中，作者描述了硼-镍（B-Ni）双单原子在MnO2通道内的集成（Ni-B/MnO2），作为电子储存层来指导甲烷催化燃烧过程中的电子转移路线。综合分析发现，B原子与晶格氧原子形成键，削弱了O和Mn原子之间的相互作用。同时，Ni原子促进电子转移，从而提高MnO2的活性。B-Ni双位点取代Mn(Ⅳ)可以容纳反应过程中产生的多余电子，抑制高自旋Mn(Ⅲ)的形成，从而阻碍Jahn-Teller畸变并保持催化剂的稳定性。该工作展示了一种有效的改性策略，可以显著延长 MnO2基材料的使用寿命。综上，利用DFT计算，作者采用熔盐法将Ni和B双单原子嵌入α-MnO2的天然2*2通道中。在甲烷催化燃烧过程中，Ni-B/MnO2表现出优异的性能，其T90比原始MnO2低约100℃。此外，在500 ℃的条件下持续反应32 h，Ni-B/MnO2的CH4转化率始终稳定在90%以上，而原始MnO2的CH4转化率降低到了64%。一系列原位表征测试和理论计算表明，B原子通过与氧原子形成键来减弱Mn与O原子之间的相互作用，该机制阻止了额外电子向Mn原子转移。同时，Ni原子向B-O键的空反键轨道贡献电子，从而减弱了B-O键的强度并获得了高效的催化活性。在反应过程中，相邻的B和Ni单原子单元取代Mn4+作为电子储存层接收额外的电子，从而通过调节电子转移路径有效地抑制了Jahn-Teller畸变。该进展使MnO2具有高催化活性和卓越的稳定性，为抑制Jahn-Teller效应引起的结构畸变提供了一种新颖的方法。Gu, H., Wang, F., Chen, S. et al. Suppressing Jahn-Teller distortion of MnO2 via B-Ni dual single-atoms integration for methane catalytic combustion. Nat. Commun., (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56281-3.🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。👏👏👏
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