【研究进展】单原子 Ru 位点的不对称配位实现了氨氧化的高效 N(sp3)-H 脱氢催化作用

第一作者：刘志松 2022级博士生

通讯作者：瞿赞 研究员

全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.4c03294

近日，上海交通大学大气污染控制团队在环境领域著名学术期刊Environmental Science & Technology上发表了题为“Asymmetric Coordination of Single-Atom Ru Sites Achieves Efficient N(sp3)–H Dehydrogenation Catalysis for Ammonia Oxidation”的研究论文。钌单原子催化剂在氨选择性催化氧化（NH3-SCO）方面具有巨大潜力；然而，NH3 分子稳定的 sp3 杂化轨道使得 N(sp3)-H 解离成为传统对称金属氧化物催化剂面临的挑战。在此，我们提出了一种异质界面反向原子捕获策略，以构建具有独特不对称 Ru1N2O1 配位的 Ru。与对称配位的 Ru 基催化剂（280 ℃）、Ir 基催化剂（220 ℃）和 Pt 基催化剂（200 ℃）相比，Ru1N2O1/CeO2 表现出固有的低温转化率（160 ℃ 时的 T100），其 TOF 是 Ag 基催化剂的 65.4 倍。实验和理论研究表明，Ru 和 N 原子间存在很强的 d-p 轨道相互作用，这不仅增强了 Ru1N2O1 位置对氨的吸附，还优化了 Ru 的电子构型。此外，Ru1N2O1/CeO2 与水的亲和力明显弱于传统催化剂（Pd3Au1 催化剂的结合能为-1.19 eV，而我们的材料为-0.39 eV），因此具有优异的耐水性。最后，NH3 的 N（sp3）-H 活化需要表面活性氧的帮助，但我们发现不对称 Ru1N2O1 可以直接活化 N（sp3）-H 键，而无需表面活性氧的参与。这项研究为合理设计活性位点的近端配位以实现其在单原子催化中的最佳催化活性提供了新的原理。