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在现代催化技术中，单原子催化剂（SACs）凭借其高原子利用效率和独特的催化性能，已成为诸多重要化学反应的理想选择。然而，由于活性金属原子的不可控位置，传统SACs在实际应用中面临部分活性位点被埋于支撑材料内的挑战，从而限制了催化效率。本研究通过开发“顺序热转变”策略，实现了单原子Pt在MOF衍生多孔TiO₂支撑材料表面外部的精准分散，达到了100%的Pt原子可及性，并在对氯硝基苯（p-CNB）的选择性加氢反应中表现出极高的活性和选择性。
成果简介
通过“顺序热转变”策略，研究团队成功制备了Pt₁/TiO₂-600单原子催化剂，该催化剂中Pt原子位于TiO₂表面，实现了100%的可及性。实验显示，与传统的Pt纳米颗粒催化剂相比，Pt₁/TiO₂-600在p-CNB的选择性加氢反应中展现了显著更高的活性和选择性（高达99%），并抑制了副反应的发生。理论计算结果进一步揭示了Pt₁/TiO₂-600中Pt原子对–NO₂基团的优先吸附及活化机制，从而实现了对p-CNB的高效加氢选择性。
研究亮点
高效的单原子催化设计：通过顺序热转变策略，实现了单原子Pt的精准分散，最大化了Pt的可及性，显著提升了催化剂活性。
优异的选择性和稳定性：Pt₁/TiO₂-600在p-CNB的加氢反应中实现了近100%的选择性，并在多次循环实验中保持高效催化性能。
机制解析：实验与理论计算相结合，揭示了Pt₁/TiO₂-600中Pt对–NO₂基团的优先吸附及其对加氢反应选择性的贡献。
配图精析
图1：Pt单原子催化剂的制备过程。(a) MOF前体材料MIL-125中均匀分散的Pt纳米颗粒。(b) 在400°C空气中焙烧后形成的PtNPs/TiO₂-400。(c) 在600°C下进一步焙烧后形成的Pt₁/TiO₂-600，其单个Pt原子在TiO₂表面清晰可见。(d) 在800°C下焙烧后形成的Pt₁+clus/TiO₂-800，显示出Pt原子的团聚现象。
图2：X射线吸收谱（XAFS）表征。(a) Pt₁/TiO₂-600的FT-EXAFS光谱显示Pt-O配位峰，表明Pt以单原子形式分散。(b) 波特图显示Pt原子的高分散性。(c) Pt₁/TiO₂-600的CO吸附DRIFTS光谱，仅显示线性CO吸附峰，进一步证实了Pt原子为单原子分布。
图3：Pt₁/TiO₂-600的CO脉冲化学吸附测试，表明Pt原子几乎完全分布在TiO₂表面，且具有100%的Pt位点可及性，相较于Pt₁@TiO₂-600显示出更高的活性位点暴露率。
图4：Pt₁/TiO₂-600在p-CNB加氢反应中的催化性能测试。(a) 不同催化剂的p-CNB转化率和对氯苯胺（p-CAN）的选择性对比，Pt₁/TiO₂-600显示出近乎100%的选择性。(b) 对不同氯代硝基苯的催化测试结果，显示Pt₁/TiO₂-600在多种氯代硝基苯加氢反应中的优异选择性。
图5：DRIFTS竞争吸附测试结果表明，Pt₁/TiO₂-600对–NO₂基团具有优先吸附性，同时对–Cl基团吸附较弱，这一特性有效抑制了副反应，确保了高选择性。
展望
本研究成功展示了基于MOF衍生TiO₂载体的单原子Pt催化剂在氢化反应中的卓越性能，提供了一种高效、经济的催化剂设计新方法。未来的研究将进一步拓展该方法在其他催化反应中的应用，为精细化学合成与绿色化工提供更优质的催化剂解决方案。
文献信息
期刊：Angewandte Chemie International Edition
DOI：10.1002/anie.202418964
原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202418964
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