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加快打造原始創(chuàng)新策源地,，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn),，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書(shū)記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿,、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng),、面向國(guó)家重大需求,、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展,，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地,，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu),。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

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科研人員構(gòu)建出氮化碳負(fù)載銅原子簇催化劑

2025-04-14 青島生物能源與過(guò)程研究所

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在催化科學(xué)領(lǐng)域，單原子催化劑因獨(dú)特的催化潛力而備受關(guān)注,。但是,，單原子催化劑的本征質(zhì)量活性受限,，制約其實(shí)際應(yīng)用。

中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所與蘭州化學(xué)物理研究所合作,，基于少原子團(tuán)簇催化劑精準(zhǔn)可控的結(jié)構(gòu)與金屬聚集效應(yīng)等優(yōu)勢(shì),，通過(guò)原子級(jí)活性位點(diǎn)的設(shè)計(jì)與多原子協(xié)同作用的調(diào)控，構(gòu)建出氮化碳負(fù)載銅原子簇催化劑（Cu₃/CN）,。這一催化劑在苯選擇氧化制苯酚反應(yīng)中展現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能,。

研究結(jié)合原位/非原位表面分析，明確銅位點(diǎn)吸附氧物種（Cu=O*）在C-H鍵活化中的作用,。密度泛函理論計(jì)算發(fā)現(xiàn),，相較于孤立的Cu₁位點(diǎn)，Cu₃原子簇的d帶中心位置更高,，且與H₂O₂分子間存在更強(qiáng)的電荷轉(zhuǎn)移作用,。這種電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)促使H₂O₂分子中O-O鍵拉伸，促進(jìn)Cu=O*活性物種形成,。更重要的是,，Cu₃位點(diǎn)中的Cu=O*在費(fèi)米能級(jí)附近呈現(xiàn)O 2p軌道與Cu 3d軌道雜化特征，賦予其優(yōu)異的苯分子活化能力,。進(jìn)一步,，理論計(jì)算顯示，Cu₃原子簇特有的組裝效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)高性能催化的關(guān)鍵所在,。研究建立的構(gòu)效關(guān)系闡釋了原子簇結(jié)構(gòu)優(yōu)化催化功能的微觀機(jī)制,，為精準(zhǔn)設(shè)計(jì)高性能氧化催化劑提供了理論依據(jù)。

研究探討了Cu₃原子團(tuán)簇催化劑在苯選擇氧化制苯酚反應(yīng)中的聚集效應(yīng)：在優(yōu)化條件下,，Cu₃/CN催化劑的苯轉(zhuǎn)化率為76.2%,，苯酚選擇性為96.1%，優(yōu)于已有成果,。研究揭示了活性位點(diǎn)原子核數(shù)對(duì)反應(yīng)速率的影響：隨著Cu原子數(shù)目增加,，反應(yīng)速度控制步驟由H₂O₂的活化轉(zhuǎn)變?yōu)镃-H參與的O插入，體現(xiàn)出活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)催化性能的重要影響,。研究通過(guò)構(gòu)筑Cu₃團(tuán)簇改善電荷轉(zhuǎn)移：Cu₃團(tuán)簇的構(gòu)建提高了Cu位點(diǎn)的d帶中心,，加速其與吸附H₂O₂之間的電荷轉(zhuǎn)移，利于Cu=O*關(guān)鍵氧化物種形成,。同時(shí),，Cu=O*中的O* 2p軌道和Cu的3d軌道在費(fèi)米能級(jí)附近明顯雜化，利于C₆H₆O *中間體形成,。

上述研究確立了催化活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)與催化性能之間的關(guān)聯(lián),，揭示了原子簇結(jié)構(gòu)在優(yōu)化催化性能方面所發(fā)揮的關(guān)鍵作用，為亞納米尺度非貴金屬催化劑的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)見(jiàn)解，并針對(duì)碳?xì)浠衔镅趸磻?yīng)的高效催化劑設(shè)計(jì)建立了通用的合成范例,。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（JACS）上,。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。

論文鏈接

Cu₃團(tuán)簇優(yōu)化H₂O₂活化促進(jìn)苯選擇氧化制苯酚

在催化科學(xué)領(lǐng)域,，單原子催化劑因獨(dú)特的催化潛力而備受關(guān)注。但是,，單原子催化劑的本征質(zhì)量活性受限,，制約其實(shí)際應(yīng)用。中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所與蘭州化學(xué)物理研究所合作,，基于少原子團(tuán)簇催化劑精準(zhǔn)可控的結(jié)構(gòu)與金屬聚集效應(yīng)等優(yōu)勢(shì),，通過(guò)原子級(jí)活性位點(diǎn)的設(shè)計(jì)與多原子協(xié)同作用的調(diào)控，構(gòu)建出氮化碳負(fù)載銅原子簇催化劑（Cu3/CN）,。這一催化劑在苯選擇氧化制苯酚反應(yīng)中展現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能,。研究結(jié)合原位/非原位表面分析，明確銅位點(diǎn)吸附氧物種（Cu=O*）在C-H鍵活化中的作用,。密度泛函理論計(jì)算發(fā)現(xiàn),，相較于孤立的Cu1位點(diǎn)，Cu3原子簇的d帶中心位置更高,，且與H2O2分子間存在更強(qiáng)的電荷轉(zhuǎn)移作用,。這種電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)促使H2O2分子中O-O鍵拉伸，促進(jìn)Cu=O*活性物種形成,。更重要的是,，Cu3位點(diǎn)中的Cu=O*在費(fèi)米能級(jí)附近呈現(xiàn)O 2p軌道與Cu 3d軌道雜化特征，賦予其優(yōu)異的苯分子活化能力,。進(jìn)一步,，理論計(jì)算顯示，Cu3原子簇特有的組裝效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)高性能催化的關(guān)鍵所在,。研究建立的構(gòu)效關(guān)系闡釋了原子簇結(jié)構(gòu)優(yōu)化催化功能的微觀機(jī)制,，為精準(zhǔn)設(shè)計(jì)高性能氧化催化劑提供了理論依據(jù)。研究探討了Cu3原子團(tuán)簇催化劑在苯選擇氧化制苯酚反應(yīng)中的聚集效應(yīng)：在優(yōu)化條件下,，Cu3/CN催化劑的苯轉(zhuǎn)化率為76.2%,，苯酚選擇性為96.1%，優(yōu)于已有成果,。研究揭示了活性位點(diǎn)原子核數(shù)對(duì)反應(yīng)速率的影響：隨著Cu原子數(shù)目增加,，反應(yīng)速度控制步驟由H2O2的活化轉(zhuǎn)變?yōu)镃-H參與的O插入，體現(xiàn)出活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)催化性能的重要影響,。研究通過(guò)構(gòu)筑Cu3團(tuán)簇改善電荷轉(zhuǎn)移：Cu3團(tuán)簇的構(gòu)建提高了Cu位點(diǎn)的d帶中心,，加速其與吸附H2O2之間的電荷轉(zhuǎn)移，利于Cu=O*關(guān)鍵氧化物種形成。同時(shí),，Cu=O*中的O* 2p軌道和Cu的3d軌道在費(fèi)米能級(jí)附近明顯雜化,，利于C6H6O *中間體形成。上述研究確立了催化活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)與催化性能之間的關(guān)聯(lián),，揭示了原子簇結(jié)構(gòu)在優(yōu)化催化性能方面所發(fā)揮的關(guān)鍵作用,，為亞納米尺度非貴金屬催化劑的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)見(jiàn)解，并針對(duì)碳?xì)浠衔镅趸磻?yīng)的高效催化劑設(shè)計(jì)建立了通用的合成范例,。相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（JACS）上,。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。論文鏈接Cu3團(tuán)簇優(yōu)化H2O2活化促進(jìn)苯選擇氧化制苯酚

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