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北京大學張錦課題組–石墨炔/石墨烯異質結構上的原子Pd作為芳香氮還原的有效催化劑

單原子催化劑(SACs)以其最大的原子利用效率,近年來在催化科學領域引起了極大的研究興趣。為了SACs的進一步發展,需面臨以下挑戰:i)如何穩定和避免SACs的聚合,ii)如何提高支撐物的比表面積和導電性,iii) 如何以低成本實現規模化生産,因此合成了一種由單個Pd原子組成的SAC,并且固定在設計良好的石墨炔/石墨烯(GDY/G)異質結構(Pd1/GDY/G)上。通過對4-硝基苯酚的還原反應,可以看出Pd1/GDY/G具有較高的催化性能。此外,密度泛函理論計算表明,GDY/G異質結構中石墨烯在提高電子轉移過程的催化效率起到了關鍵作用,這源于石墨烯的費米能級與GDY的最小導帶之間的差距。GDY/G異質結構為制備高效、穩定的SACs提供了良好的支撐,可廣泛應用于未來工業反應。

Figure 1. 通過基于溶液的vdW外延法合成GDY/G異質結構的實驗裝置示意圖,Pd1/GDY/G制備并催化4-NP還原。

Figure 2 a) GDY/G粉末圖。b-d) GDY/G的SEM、AFM、TEM圖。e)在單層石墨烯上合成的GDY的HRTEM圖像。f)GDY/G薄膜的SAED圖。g)單層石墨烯上合成GDY/G的SEM圖。h)石墨烯二維帶(2682 cm-1)的拉曼映射圖。i) GDY的碳-碳三鍵(2174 cm-1)。j)在(i)中選定位置不同位置的拉曼光譜。k) GDY/G元素C 1s的窄掃描XPS譜。

Figure 3 a) Pd1/GDY/G-O的原子分辨率HAADF-STEM圖。b) Pd1/GDY/G-O的元素映射。c)  Pd1/GDY/G-O,Pd箔和Pd O的Pd K-邊緣XANES曲線。d) Pd1/GDY/G-O和Pd箔的EXAFS光譜。e)用于Pd1/GDY/G-O和Pd1/GDY/G的Pd 3d的高分辨率核心能級光譜。f) GDY/G和 Pd1/GDY/G的拉曼光譜。g) GDY上C點吸附Pd單原子的幾何結構俯視圖和側視圖。h) GDY/G異質結構中GDY與石墨烯電荷密度差的頂側圖。i)Pd1/GDY/G内C1和C2軌道的Pd 4d和C2軌道的PDOS比較。

Figure 4在a) Pd1/GDY/G和b)Pd1/GDY催化的4-NP還原過程中記錄的時間依賴性紫外-可見吸收光譜。c)由Pd1/GDY/G-1和Pd1/GDY催化還原4-NP反應時間的ln(Ct/C0)圖。d)十個催化循環後Pd1/GDY/G的催化性能。e)連續流動設置的圖像,評估4-NP反應中的催化劑性能。f)連續模式下還原前(藍色曲線)和還原後(紅色曲線)記錄的UV-可見吸收光譜。g)還原後較低溶液在400 nm和300 nm處的吸光度随反應時間的變化。

Figure 5 a) Pd1/GDY/G和Pd1/GDY上4-NP的氫化的勢能曲線。b)石墨烯和GDY的電子能。石墨烯和GDY之間真實空間電子再分布的c)頂部圖和d)側面圖。e) Pd1/GDY/G催化4-NP還原機理示意圖。

相關研究成果于2019年由北京大學Jin Zhang課題組,發表在Adv. Funct. Mater.(https://doi.org/10.1002/adfm.201905423)上。原文:Atomic Pd on Graphdiyne/Graphene Heterostructure as Efficient Catalyst for Aromatic Nitroreduction。

本文來自石墨烯雜志,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

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