谢在来课题组在新型d轨道催化剂设计方面取得新进展
日期:2025-07-04 阅读次数: 作者: 来源:

近日,谢在来教授课题组,在Nature communications上发表了题为“Manipulating d-orbital of Cu Single Atom Site by Coordination Engineering for Selective Oxidation of Benzene”的研究论文。在本文中,研究者通过同步调控Cu SACs的配位几何结构(Cu-N3)与金属负载量(33.2 wt%),同时实现d轨道电子态精准优化与高密度活性位点集成,助力Cu-N3-33.2催化剂高效催化苯选择性氧化制苯酚,并揭示p-d轨道杂化降低H2O2活化能垒的机制。

 

单原子催化剂(SACs)能够实现对活性位点的原子级调控,但通过轨道层面的精准操控来引导催化行为仍具挑战。本工作基于Cu SACs的配位几何结构的精准调控(Cu-N3 vs. Cu-N4),利用超分子自组装与高温碳化策略,实现了Cu活性中心d轨道的工程化设计,进而促进催化性能的显著提升。在以H2O2为氧化剂的苯选择性氧化生成为苯酚的反应中,经优化后的三配位Cu SACCu-N3-33.2)展现出优异性能:60 oC下反应1 h后,苯的转化率和转化频率(TOF)分别高达到85.8%680.3 h−1,远优于四配位构型的Cu SACCu-N4-3.3),以及绝大部分已报道的金属基催化剂。深入的机理研究表明,Cu-N3-33.2Cu-N3位点上Cud轨道与氧的p轨道之间的强p-d轨道杂化作用促进了Cu–O活性中间体的动态生成,这可以显著降低H2O2的活化能垒,最终促进苯氧化性能的提升。本研究提出的配位工程导向的d轨道调控新策略,将为规模化合成高性能轨道催化剂提供新范式。

 

1 Cu-Nx-y催化剂的制备及形貌、结构表征

该研究成果发表于化学领域顶级期刊Nature communications。论文第一作者为福州大学化学学院博士研究生李树春谢在来教授为论文的通讯作者。这项工作得到了国家自然科学基金项目的大力支持。

 

论文信息:“Manipulating d-orbital of Cu Single Atom Site by Coordination Engineering for Selective Oxidation of Benzene”, Shuchun Li, Changsheng Cao, Jiabin Chen, Wen Wen, Xuefei Zhang, Longji Cui, Yuke Li, Xing Huang, Yu Tang, and Zailai Xie*, Nat Commun 16, 5790 (2025). 10.1038/s41467-025-61198-y.