Nano Res.[催化]│南京工业大学孙林兵课题组：石墨烯锚定钠单原子固体强碱催化剂的构筑

背景介绍

固体强碱催化剂因具有反应条件温和、产物易于分离、减少设备腐蚀等优点，在精细化工生产过程中备受青睐，有望代替液体碱成为新一代环境友好催化材料。虽然固体碱催化剂有诸多优点，但是目前报道的固体碱催化剂存在碱性位易聚集（导致活性位利用率低）和碱性位点易流失（导致循环稳定性差）的问题，限制了固体碱催化剂的工业化应用。因此，亟需开发碱性位高分散、耐流失的固体碱催化剂。

成果简介

在本工作中，研究团队以石墨烯为载体，通过两步分解策略成功构筑了碱金属钠单原子固体强碱催化剂。碱前驱体（NaNO₃）分别在低温阶段（300 ℃）和高温阶段（700 ℃）发生两次分解反应，最终生成钠单原子并锚定于石墨烯的碳空位中，从而得到了钠单原子固体强碱催化剂。

图文导读

图1. （a）NaNO₃/G样品的TG-MS数据。R1代表碱前驱体硝酸钠的低温分解位置，R2代表碱金属氧化物高温分解位置。（b-f）石墨烯载体及引入碱前驱体及特定温度活化后的样品的XRD、IR、N1s XPS、拉曼和氮气吸脱附等温线数据

图1为载体和引入碱前驱体及特定温度活化后样品的XRD、IR、N1s XPS、拉曼和氮气吸脱附等温线数据。首先，图1(a)的TG-MS数据可以证明碱前驱体在低温和高温阶段发生两次分解反应。XRD数据表明钠相关的物种在石墨烯高度分散，没有出现相关钠化合物的衍射峰（图1(b)）。IR和N1s数据表明了碱前驱体在低温（300 ℃）阶段已经完全分解为传统的碱性位物种（碱金属氧化物）。拉曼光谱和氮气吸脱附等温线数据证明了石墨烯载体上缺陷程度及比表面积的变化。

图2. （a）Na₁/G样品的TEM数据。（b-d）Na₁/G样品的球差电镜及元素扫描数据。（e、f）石墨烯引入碱前驱体后在特定温度活化后的样品的Na1s XPS数据和同步辐射数据

图2为证明所得催化剂为单原子的表征数据。首先，图2(a)的TEM数据可以证明分散钠后的石墨烯表面没有出现聚集，表明钠物种的高度分散。球差电镜图上的亮点证明了钠原子是以单原子的形式存在于石墨烯载体上，且相关元素均匀分布于载体石墨烯（图2(b)-2(d)）。Na1s和钠的近边数据的偏移证明了钠原子周围电子的变化。

图3. （a）不同样品的碱量数据。（b）不同样品的催化数据。（c）本工作的催化结果和已经报道的文献的对比数据。（d）钠单原子催化剂和传统碱性位催化剂的循环催化数据

图3为所得催化剂的碱性特征和催化性能数据。图3(a)的碱量滴定数据可以证明钠单原子催化剂具有较高的碱量。催化实验及催化对比数据表明所得单原子催化剂具有较高的催化活性（图3(b)和3(c)）。图3(d)表明了所得单原子钠固体碱催化剂具有较好的循环稳定性，优于以传统氧化物为碱性位的催化剂。

作者简介

孙林兵为论文的通讯作者，彭松松和年瑶为共同第一作者，宋星如、邵祥斌、谷琛、邢志伟、亓士超、谈朋、韩优和刘晓勤为共同作者。

本课题组长期从事多孔功能材料的研制及其在吸附和催化等领域的应用研究，课题组负责人孙林兵为江苏特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，国家重点研发计划项目首席科学家，中国化工学会青年工作委员会副主任委员。迄今已在Chem. Rev.、Acc. Chem. Res.、Nature Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.和AIChE J.等期刊发表SCI论文200余篇，获授权专利20余件，参加编写《化工辞典》第五版等专著2部。获中国石化联合会青年科学技术突出贡献奖和中国化工学会侯德榜化工科学技术青年奖等荣誉。

文章信息

Peng S-S, Nian Y, Song X-R, et al. Graphene-anchored sodium single atoms: A highly active and stable catalyst for transesterification reaction. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6506-8.