选择性高达77.0%！浙大「国家级高层次人才」李正龙团队JACS！

【做计算 找华算】理论计算助攻顶刊，50000+成功案例，全职海归技术团队、正版商业软件版权！

DFT计算全场6折！VASP/MS/Gaussian等计算均可承接！速来预约！

利用单原子催化剂（SACs）的成功经验，双原子催化剂（DACs）已成为异质催化领域的一个新前沿。然而，大多数SACs和DACs研究都试图在支撑材料上均匀分布催化位点，这可能会阻碍它们在复杂的多步串联反应中的效率。

特别是，精确控制两种不同单原子位点的空间分布以形成二元位点，使得反应物和中间体按照反应步骤所需的精确顺序接触催化位点，是一个巨大的挑战。

2025年6月12日，浙江大学李正龙、聂磊、崔燕冉在国际期刊Journal of the American Chemical Society发表了题为《Spatially Aligned Binary Single-Site Catalyst on Defective SiO2for Cascading Reactions》的研究论文，Juanjuan Yang为论文第一作者，李正龙、聂磊、崔燕冉为论文通讯作者。

该论文报道了一种新型的二元单位点催化剂Cu1–Zr1@SiO2，其Cu1和Zr1位点的空间排列与串联反应的反应顺序一致。该催化剂通过改良的反向微乳液方法合成，单个Cu位点由非桥氧空穴中心锚定，这些中心是通过将单个Zr位点掺杂到SiO2中诱导产生的。

低能离子散射光谱（LEIS）显示催化剂最外层表面仅含有Cu单原子位点，而Zr原子则分散在体相中。该催化剂在乙醇转化为丁烯的模型串联反应中表现出优异的催化性能，该反应包括乙醇脱氢和醛缩反应步骤。

精确的空间控制的二元位点使乙醇能够首先在Cu位点上发生脱氢反应生成乙醛，随后乙醛在Zr位点上发生醛缩反应。因此，通过抑制乙烯的生成，实现了高达77.0%的C3+烯烃选择性（丁烯选择性为56.0%）。

图1：a）：系列表征看出非桥氧空穴中心（NBOHCs）的存在，这表明Zr掺杂在SiO2中引入了缺陷；b）：AC-HAADF-STEM图像和Cu的EDS映射表明了Cu原子均匀分散在催化剂表面；c-e）：表明Zr主要分布在催化剂的体相中，而O和Si的分布较为均匀；f）：进一步展示了Cu和Zr的分布情况；g）：EELS分析确认了Zr的存在；h-i）：LEIS深度分析结果表明Cu主要富集在催化剂表面，而Zr主要分布在体相中；随着溅射深度的增加，Cu信号逐渐减弱，而Zr信号逐渐增强。

图2：a）：XANES谱图显示Cu1−Zr1@SiO2的吸收边能量接近CuO，表明Cu主要以Cu2+的形式存在；b）：EXAFS谱图表明Cu以单原子形式存在；c）：Zr K边XANES谱图表明Zr以Zr4+的形式存在；d）：Zr的 EXAFS谱图表明Zr以单原子形式存在；e-f）：固态29Si MAS NMR 谱图显示Cu1−Zr1@SiO2中出现了与SiO2缺陷相关的Q3峰，表明Zr掺杂引入了缺陷。

图3：a-c）：Cu在不同位置（体相、体相与表面、表面）的密度泛函理论（DFT）优化结构；d）：形成能计算结果表明Cu原子更倾向于在SiO2表面的缺陷位点上稳定存在，而不是在体相中。

图4：a）：不同催化剂在乙醇转化为C3+烯烃反应中的性能；b）：Cu1−Zr1@SiO2对丁烯和C3+烯烃的选择性显著高于其他催化剂；c）：C3+烯烃的选择性结果进一步证实了催化剂的优异性能；e）：乙醇转化率和脱水率的对比表明其表面的Cu位点有效抑制了乙醇脱水反应；f）：低转化率下的脱氢率进一步证明了Cu位点在乙醇脱氢中的关键作用；g）C−C耦合率和乙醛转化率的测试结果表明，Zr位点在乙醛的C−C耦合反应中具有重要作用。

该论文报道了一种新型的空间对齐的二元单位点催化剂Cu1–Zr1@SiO2，通过改进的反向微乳液法合成，实现了Cu和Zr单原子位点在催化剂中的空间分布与串联反应步骤的精准匹配。

催化剂在乙醇转化为丁烯的模型串联反应中表现出优异的催化性能，实现了高达77.0%的C3+烯烃选择性（丁烯选择性为56.0%），同时显著抑制了乙烯的生成。

这一成果不仅为单原子催化领域提供了新的设计思路，还为复杂的多步串联反应提供了高效的催化体系。

其在可持续航空燃料合成等领域的应用前景广阔，有望推动相关工业催化过程的绿色化和高效化发展。

Spatially Aligned Binary Single-Site Catalyst on Defective SiO2for Cascading Reactions, Journal of the American Chemical Society, 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.5c06007.

#浙江大学

#李正龙

#聂磊

#崔燕冉

#双原子催化剂

#微乳液法

【做计算 找华算】