转载自中国农大新闻网讯 中国农业大学理学院应用物理系教授罗炳程等人在能源催化功能材料研究方面取得新进展，在国际顶级期刊《应用化学国际版》（Angewandte Chemie International Edition）在线发表题为《原子分散的钴/铜双金属催化剂可协同促进甲酸制氢》（Atomically Dispersed Cobalt/Copper Dual‐Metal Catalysts for Synergistically Boosting Hydrogen Generation from Formic Acid）的研究论文。这些材料可用于低成本、高效和选择性的甲酸脱氢，这在氢经济背景下具有重要意义。该研究为其他具有双金属位点的材料提供了设计思路，并强调了构建这种确定的单元可以提高脱氢过程的催化效率和稳定性。
可持续能源技术在实现“碳达峰”和“碳中和”战略目标方面发挥着关键作用。开发有效储存和释放氢气的新型催化剂，对于未来可持续能源技术的实施至关重要。在这方面，基于更多可用的贱金属（铁、铜、锰、钴）而不是贵金属（如钯、铂、钌、铑、铱）的材料，无论从经济还是生态角度来看都是非常有利的。因此，为了服务于国家 双碳 战略目标，有必要开发高活性、高选择性的非贵金属非均相催化剂，以取代贵金属催化剂，并揭示其反应机理。
本研究报道了一种原子分散双金属位点Co/Cu-N-C催化剂的设计和构造，该催化剂可显著改善甲酸的脱氢反应。催化剂活性中心由特定的双氮桥连的相邻金属N4簇的CoCuN6基团组成，负载在氮掺杂碳载体上。在最佳条件下，纳米结构材料的脱氢性能比商用5% Pd/C高40倍。原位光谱和动力学同位素效应实验表明，Co/Cu-N-C促进甲酸脱氢遵循甲酸盐途径，HCOO*的C-H键断裂是决定速率的步骤。理论计算显示，CoCuN6基团中的Cu协同促进了中间物种HCOO*的吸附，并提高了Co的d带中心，有利于HCOO*的活化，从而降低了反应能垒。
图1：钴/铜双金属催化剂的合成路线和结构形貌
X射线吸收精细结构证明了Co原子和Cu原子之间的相互作用。甲酸脱氢活性测试表明Co/Cu-N-C对碳酸丙烯酯表现出最佳催化活性。最佳催化剂的质量活性为77.7 L·gmetal-1·h-1，分别是商用5% Pd/C和5% Pt/C的26倍和40倍。经过五个连续循环和高底物浓度的长期试验（72小时）后，初始活性和选择性得以保持，表明Co/Cu-N-C是一种高效、稳定和坚固的甲酸脱氢催化剂。
图2：酸脱氢活性测试
原位漫反射红外傅立叶变换（in situ DRIFT）分析发现甲酸盐路径占主导地位。动力学同位素效应（KIE）结果表明在Co/Cu-N-C上HCOO*物种的C-H键断裂是速率决定步骤（RDS）。质谱分析表明HCOO*的表面氢化物与氢原子结合得到H2。第一性原理计算表明Co 和Cu之间的距离为2.62 Å。当HCOO*吸附在Co/Cu-N-C上时，Co和Cu的3d轨道与HCOO*的2p轨道发生杂化（图 3e、f），表明Co和Cu共同参与了HCOO*的吸附。CoCuN6 基团中的Cu提高了Co的d带中心，调控CoN4 的电子结构，改善了对HCOO*的吸附。进一步计算了Co/Cu-N-C催化甲酸脱氢的整个循环，结果发现，RDS步骤是HCOO*的C-H解离，与KIE结果一致，反应能垒为0.82 eV，比Co-N-C的反应能垒（1.27 eV）低0.45 eV。值得注意的是，活性CoCuN6 基团不仅有利于关键中间体HCOO*的吸附，还能降低其活化能垒，从而促进FA脱氢。
图3：第一性原理计算揭示HCOOH 脱氢机理
北京航空航天大学石岩喆和中国农业大学罗炳程教授为论文第一作者，北京航空航天大学李想和德国莱布尼茨催化研究所Henrik Junge和Matthias Beller教授为通讯作者。
罗炳程教授在新材料理论预测与合成、介电铁电陶瓷及复合材料、柔性电子材料与能源存储器件等方面，积累了丰富的研究经验，并取得了一系列创新性研究成果。目前，已经在《自然通讯》（Nature Communications）、《美国国家科学院院刊》（PNAS）、《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)、《应用化学国际版》（Angewandte Chemie International Edition）等期刊上共发表SCI论文70余篇。