单原子催化剂（SAC）的活性位点的催化性能通常可以通过金属单原子邻近的配位环境进行有效调节。然而，远离金属中心的掺杂物种对催化过程的影响及其作用机理尚未清楚。近日，我院林森教授课题组对随机分布在氮碳材料负载的Ir1周围的N掺杂物种在丙烷脱氢（PDH）中的作用和工作机制进行了系统理论研究。研究发现，与致密掺杂模型相比（图1，上图），增加N原子与Ir1位点之间的距离会导致反应过程产生不同的能量变化。随后，基于随机掺杂模型（图1，上图）的计算结果表明，在距离Ir1更远的外围化学环境中增加N含量可以提高Ir1的催化活性，同时保持对丙烯的高选择性（图1，下图），打破了PDH中固有的活性-选择性跷跷板关系，这一点在实验验证中得到了进一步证实；这些N掺杂物种对反应中间产物与活性位点的结合强度具有不同的影响，从而优化了PDH反应势能面。研究结果加深了对金属位点周围掺杂态的理解，对多相催化中的掺杂工程具有重要意义。
图1 单原子催化剂中掺杂物种的两种分布模型，致密掺杂模型和随机掺杂模型（上图）。增加随机分布的N掺杂物种可同时提升丙烷脱氢反应的活性和选择性（下图）。
成果以“Regulating Peripheral Nitrogen Dopants in Single-Atom Catalysts to Enhance Propane Dehydrogenation”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，福州大学化学学院博士研究生卫奋飞和中科院大连化学物理研究所曹利茹为第一作者，林森教授和中科院大连化学物理研究所林坚研究员为通讯作者。相关研究得到国家自然科学基金面上项目、福建省“雏鹰计划”青年拔尖人才计划等经费资助。
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来源：福州大学化学学院
封面摄影：福州大学
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