• •
Alexey S. Galushkoa,1, Ilya V. Chepkasovb,1, Ruslan R. Shaydullina, Daniil A. Boikoa, Alexander G. Kvashninb, Artem M. Abakumovb, Valentine P. Ananikova,*
收稿日期:2025-09-09
修回日期:2025-09-09
通讯作者:
*电子信箱: val@ioc.ac.ru (V. P. Ananikov).
作者简介:1共同第一作者.
基金资助:Alexey S. Galushkoa,1, Ilya V. Chepkasovb,1, Ruslan R. Shaydullina, Daniil A. Boikoa, Alexander G. Kvashninb, Artem M. Abakumovb, Valentine P. Ananikova,*
Received:2025-09-09
Revised:2025-09-09
Contact:
*E-mail: val@ioc.ac.ru (V. P. Ananikov).
About author:1Contributed equally to this work.
摘要: 本文描述了在低压低温的温和条件下, 采用反应活性气体(CO, NO, H2, H2O和O2)来调节金属纳米粒子表面的动态性能. 量子化学模拟、实验方法和机器学习揭示了明显的影响: NO促进纳米粒子碎裂成高活性的单原子物种; H2,H2O和O2诱导的纳米粒子生长; CO稳定了它们的结构. 这种反应性气体调制(RGM)效应能够灵活控制纳米粒子的尺寸和分布, 有利于纳米级金属的有效控制. 在实际应用中, NO气体增强了Pd/C催化剂的性能, 促进了温和条件(35 °C)下Suzuki-Miyaura交叉偶联反应的高效进行. 将该方法用于其他金属(Ni, Fe, Co, Cu, Au, Pt, Ru, Ir, Rh)的评估, 也取得相应的效果, 证明了控制纳米级形貌的多种可能性. 该研究结果突出了一种基于RGM效应的灵活控制金属核度的工具, 用于优化精细有机合成的催化体系, 通过纳米级精度为催化和材料科学的进步开辟了道路.
综上, 本文采用理论和实验等多层次研究, 开发了一种快速、节能和易于推广的方法来合成克级单原子催化剂.
Alexey S. Galushko, Ilya V. Chepkasov, Ruslan R. Shaydullin, Daniil A. Boiko, Alexander G. Kvashnin, Artem M. Abakumov, Valentine P. Ananikov. 反应性气体调变金属纳米结构的核数并提升催化活性[J]. 催化学报, DOI: 10.1016/S1872-2067(26)65004-8.
Alexey S. Galushko, Ilya V. Chepkasov, Ruslan R. Shaydullin, Daniil A. Boiko, Alexander G. Kvashnin, Artem M. Abakumov, Valentine P. Ananikov. Reactive gas modulation alters metal nanostructures nuclearity and boosts catalytic activity[J]. Chinese Journal of Catalysis, DOI: 10.1016/S1872-2067(26)65004-8.
| [1] G. Palmisano, S. Jitan, C. Garlisi, Heterogeneous Catalysis: Fundamentals, Engineering and Characterizations (with accompanying presentation slides and instructor’s manual), Elsevier Science, 2022. [2] X. Li, S. Mitchell, Y. Fang, J. Li, J. Perez-Ramirez, J. Lu,Nat. Rev. Chem., 2023, 7, 754-767. [3] C. Vogt, B. M. Weckhuysen,Nat. Rev. Chem., 2022, 6, 89-111. [4] X. Dou, T. Yan, L. Qian, H. Hou, M. Lopez-Haro, C. Marini, G. Agostini, D. M. Meira, X. Zhang, L. Zhang, Z. Cao, L. Liu,Nat. Catal., 2024, 7, 666-677. [5] M. Melchionna, P. Fornasiero, J. Am. Chem.Soc., 2025, 147, 2275-2290. [6] A. Alghannam, A. J. Pattison, S. Das, C. Dun, P. Ercius, J. J. Urban, B. C. Gates, A. T. Bell, J. Am. Chem.Soc., 2025, 147, 13784-13798. [7] R. Nolla-Saltiel, Z. T. Ariki, S. Schiele, J. Alpin, Y. Tahara, D. Yokogawa, M. Nambo, C. M. Crudden,Nat. Chem., 2024, 16, 1445-1452. [8] M. D. Palkowitz, M. A. Emmanuel, M. S. Oderinde,Acc. Chem. Res., 2023, 56, 2851-2865. [9] D. Wu, W. Kong, Y. Bao, C. Huang, W. Liu, Y. Li, G. Yin,Nat. Catal., 2024, 7, 1154-1164. [10] A. Piontek, E. Bisz, M. Szostak,Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 11116-11128. [11] Y. Wang, S. Zhang, K. Zeng, P. Zhang, X. Song, T.-G. Chen, G. Xia, Nat. Commun., 2024, 15, 6745. [12] K. C. Nicolaou, P. G. Bulger, D. Sarlah,Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 4442-4489. [13] P. Devendar, R.-Y. Qu, W.-M. Kang, B. He, G.-F. Yang, J. Agric. Food Chem., 2018, 66, 8914-8934. [14] L. Liu, A. Corma,Chem. Rev., 2018, 118, 4981-5079. [15] X. Hai, Y. Zheng, Q. Yu, N. Guo, S. Xi, X. Zhao, S. Mitchell, X. Luo, V. Tulus, M. Wang, X. Sheng, L. Ren, X. Long, J. Li, P. He, H. Lin, Y. Cui, X. Peng, J. Shi, J. Wu, C. Zhang, R. Zou, G. Guillén-Gosálbez, J. Pérez-Ramírez, M. J. Koh, Y. Zhu, J. Li, J. Lu, Nature, 2023, 622, 754-760. [16] X. Cui, W. Li, P. Ryabchuk, K. Junge, M. Beller,Nat. Catal., 2018, 1, 385-397. [17] A. Wang, J. Li, T. Zhang,Nat. Rev. Chem., 2018, 2, 65-81. [18] X. Liang, N. Fu, S. Yao, Z. Li, Y. Li, J. Am. Chem.Soc., 2022, 144, 18155-18174. [19] S. Mitchell, J. Pérez-Ramírez,Nat. Commun., 2020, 11, 4302. [20] S. K. Kaiser, Z. Chen, D. Faust Akl, S. Mitchell, J. Pérez-Ramírez,Chem. Rev., 2020, 120, 11703-11809. [21] H. Xiang, W. Feng, Y. Chen,Adv. Mater., 2020, 32, 1905994. [22] F. Chen, X. Jiang, L. Zhang, R. Lang, B. Qiao, Chin. J. Catal., 2018, 39, 893-898. [23] A. S. Galushko, D. A. Boiko, E. O. Pentsak, D. B. Eremin, V. P. Ananikov, J. Am. Chem.Soc., 2023, 145, 9092-9103. [24] V. B. Saptal, V. Ruta, M. A. Bajada, G. Vilé,Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202219306. [25] W.-H. Li, J. Yang, D. Wang, Y. Li, Chem, 2022, 8, 119-140. [26] Q. An, X. Qin, X. Sun, X. Zhang, Y. Zhang, J. Guo, J. Jiang, J. Zhang, B. Li, Y. Jiang, H. Zhang, X. Chen, Y. Li, K. Zheng, W. Cheng, D. Wang, Q. Liu, J. Am. Chem.Soc., 2025, 147, 11465-11476. [27] H. Choi, S.-J. Shin, G. Bae, J. Cho, M. H. Han, M. T. Sougrati, F. Jaouen, K.-S. Lee, H.-S. Oh, H. Kim, C. H. Choi, J. Am. Chem. Soc., 2025, 147, 13220-13228. [28] B. Zhu, S. Huang, O. Seo, M. Cao, D. Matsumura, H. Gu, D. Wu, J. Am. Chem.Soc., 2025, 147, 11250-11256. [29] J. Oliver-Meseguer, A. Leyva-Pérez, ChemCatChem, 2023, 15, e202201681. [30] J. Li, C. Chen, L. Xu, Y. Zhang, W. Wei, E. Zhao, Y. Wu, C. Chen, JACS Au, 2023, 3, 736-755. [31] P. Serp, ChemCatChem, 2023, 15, e202300545. [32] K. Köhler, R. G. Heidenreich, J. G. E.Krauter, J. Pietsch, Chem. Eur. J., 2002, 8, 622-631. [33] J. Aarons, M. Sarwar, D. Thompsett, C.-K. Skylaris, J. Chem. Phys., 2016, 145, 220901. [34] T. Mori, T. Hegmann, J. Nanopart. Res., 2016, 18, 295. [35] G. Corthey, J. A.Olmos-Asar, G. Casillas, M. M. Mariscal, S. Mejía-Rosales, J. C. Azcárate, E. Larios, M. José-Yacamán, R. C. Salvarezza, M. H. Fonticelli, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 24641-24647. [36] A. S. Galushko, V. P. Ananikov,Angew. Chem. Int. Ed., 2026, 65, e20712. [37] G. Bozzolo, J. Ferrante, Phys. Rev. B, 1992, 46, 8600-8602. [38] M. R. Beltrán, R. S. Raspopov, G. González, Eur. Phys. J. D, 2011, 65, 411-420. [39] A. S. Maldonado, G. F. Cabeza, S. B. Ramos, J. Phys. Chem. Solids, 2019, 131, 131-138. [40] B. Qiao, A. Wang, X. Yang, L. F. Allard, Z. Jiang, Y. Cui, J. Liu, J. Li, T. Zhang,Nat. Chem., 2011, 3, 634-641. [41] J. Lin, A. Wang, B. Qiao, X. Liu, X. Yang, X. Wang, J. Liang, J. Li, J. Liu, T. Zhang, J. Am. Chem.Soc., 2013, 135, 15314-15317. [42] G. Malta, S. A. Kondrat, S. J. Freakley, D. J. Morgan, E. K. Gibson, P. P. Wells, M. Aramini, D. Gianolio, P. B. J.Thompson, P. Johnston, G. J. Hutchings, Chem. Sci., 2020, 11, 7040-7052. [43] G. Malta, S. A. Kondrat, S. J. Freakley, C. J. Davies, S. Dawson, X. Liu, L. Lu, K. Dymkowski, F. Fernandez-Alonso, S. Mukhopadhyay, E. K. Gibson, P. P. Wells, S. F. Parker, C. J. Kiely, G. J. Hutchings,ACS Catal., 2018, 8, 8493-8505. [44] L. Liu, J. Lu, Y. Yang, W. Ruettinger, X. Gao, M. Wang, H. Lou, Z. Wang, Y. Liu, X. Tao, L. Li, Y. Wang, H. Li, H. Zhou, C. Wang, Q. Luo, H. Wu, K. Zhang, J. Ma, X. Cao, L. Wang, F.-S. Xiao, Science, 2024, 383, 94-101. [45] L. Cheng, X. Chen, P. Hu, X.-M. Cao, Chin. J. Catal., 2023, 51, 135-144. [46] J.-C. Liu, L. Luo, H. Xiao, J. Zhu, Y. He, J. Li, J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 20601-20609. [47] C. Li, S. Song, Y. Li, C. Xu, Q. Luo, Y. Guo, X. Wang,Nat. Commun., 2021, 12, 3813. [48] H. Chen, W. Yang, J. Zhang, B. Lu, X. Wang, J. Am. Chem.Soc., 2024, 146, 4727-4740. [49] C. Bilanin, Y. Zheng, A. Vidal-Moya, E. Pardo, M. Mon, A. Leyva-Pérez,Mol. Catal., 2024, 553, 113786. [50] E. Tiburcio, Y. Zheng, C. Bilanin, J. C.Hernández-Garrido, A. Vidal-Moya, J. Oliver-Meseguer, N. Martín, M. Mon, J. Ferrando-Soria, D. Armentano, A. Leyva-Pérez, E. Pardo, J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 10342-10354. [51] M. Pagliaro, Single-Atom Catalysis: A Forth-coming Revolution in Chemistry, Elsevier: St. Louis, 2019. [52] R. Ciriminna, M. Ghahremani, B. Karimi, M. Pagliaro, R. Luque,Curr. Opin. Green Sustain. Chem., 2020, 25, 100358. [53] Y.-G. Wang, D. Mei, V.-A. Glezakou, J. Li, R. Rousseau, Nat. Commun., 2015, 6, 6511. [54] W. Xi, K. Wang, Y. Shen, M. Ge, Z. Deng, Y. Zhao, Q. Cao, Y. Ding, G. Hu, J. Luo,Nat. Commun., 2020, 11, 1919. [55] L. Yang, L. Li, S. Qin, J. Zhang, Y. Wang, X. Qin, X. Cai, J. Diao, H. Liu,Chem. Commun., 2023, 59, 5693-5696. [56] C. Chen, J.-L. Chen, L. Feng, J. Hu, X. Chai, J.-X. Liu, W.-X. Li, ACS Catal., 2024, 14, 3504-3513. [57] P. L. Gai, L. Lari, M. R. Ward, E. D. Boyes,Chem. Phys. Lett., 2014, 592, 355-359. [58] H. H. Rotermund, W. Engel, M. Kordesch, G. Ertl, Nature, 1990, 343, 355-357. [59] S. B. Vendelbo, C. F. Elkjær, H. Falsig, I. Puspitasari, P. Dona, L. Mele, B. Morana, B. J. Nelissen, R. van Rijn, J. F. Creemer, P. J. Kooyman, S. Helveg, Nat. Mater., 2014, 13, 884-890. [60] M. A. Newton, C. Belver-Coldeira, A. Fernández-García, M. Fern ndez-García, Nat. Mater., 2007, 6, 528-532. [61] S. Wei, A. Li, J.-C. Liu, Z. Li, W. Chen, Y. Gong, Q. Zhang, W.-C. Cheong, Y. Wang, L. Zheng, H. Xiao, C. Chen, D. Wang, Q. Peng, L. Gu, X. Han, J. Li, Y. Li, Nat. Nanotechnol., 2018, 13, 856-861. [62] Q. Li, S. Liu, J.-C. Liu, Z. Li, Y. Li, J. Am. Chem. Soc., 2025, 147, 5615-5623. [63] S. Yasumura, H. Ide, T. Ueda, Y. Jing, C. Liu, K. Kon, T. Toyao, Z. Maeno, K.-I. Shimizu, JACS Au, 2021, 1, 201-211. [64] V. Giulimondi, S. K. Kaiser, M. Agrachev, F. Krumeich, A. H. Clark, S. Mitchell, G. Jeschke, J. Pérez-Ramírez, J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 5953-5961. [65] H. Zhang, X. Zhang, S. Shi, Q. He, X. He, T. Gan, H. Ji, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 53755-53760. [66] Y. Liu, H. Chen, X. Wang, J. Am. Chem.Soc., 2024, 146, 28427-28436. [67] A. S. Galushko, V. P. Ananikov,ACS Catal., 2024, 14, 161-175. [68] D. O. Prima, N. S. Kulikovskaya, A. S. Galushko, R. M. Mironenko, V. P. Ananikov,Curr. Opin. Green Sustain. Chem., 2021, 31, 100502. [69] A. L. Maximov, M. P. Egorov, Chin. J. Catal., 2025, 78, 7-24. [70] R. Ciriminna, M. Pagliaro,Top. Curr. Chem., 2023, 381, 5. [71] S. S. Zalesskiy, V. P. Ananikov, Organometallics, 2012, 31, 2302-2309. [72] D. A. Shirley, Phys. Rev. B, 1972, 5, 4709-4714. [73] J. H. Scofield, J. Electron Spectrosc.Relat. Phenom., 1976, 8, 129-137. [74] S. A. Yakukhnov, E. O. Pentsak, K. I. Galkin, R. M. Mironenko, V. A. Drozdov, V. A. Likholobov, V. P. Ananikov, ChemCatChem, 2018, 10, 1869-1873. [75] G. Kresse, J. Furthmüller, Phys. Rev. B, 1996, 54, 11169-11186. [76] G. Kresse, D. Joubert, Phys. Rev. B, 1999, 59, 1758-1775. [77] G. Kresse, J. Furthmüller,Comput. Mater. Sci., 1996, 6, 15-50. [78] B. Hammer, L. B. Hansen, J. K. Nørskov, Phys. Rev. B, 1999, 59, 7413-7421. [79] S. Grimme, J. Antony, S. Ehrlich, H. Krieg, J. Chem. Phys., 2010, 132, 154104. [80] H. J. Monkhorst, J. D. Pack, Phys. Rev. B, 1976, 13, 5188-5192. [81] K. Momma, F. Izumi, J. Appl. Crystallogr., 2011, 44, 1272-1276. [82] G. Henkelman, B. P. Uberuaga, H. Jónsson, J. Chem. Phys., 2000, 113, 9901-9904. [83] R. Dronskowski, P. E. Bloechl, J. Phys. Chem., 1993, 97, 8617-8624. [84] M. T. Ruggiero, A. Erba, R. Orlando, T. M. Korter,Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, 17, 31023-31029. [85] S. Maintz, V. L. Deringer, A. L. Tchougréeff, R. Dronskowski, J. Comput. Chem., 2016, 37, 1030-1035. [86] L. Luo, M. H. Engelhard, Y. Shao, C. Wang,ACS Catal., 2017, 7, 7658-7664. [87] Z. Chen, E. Vorobyeva, S. Mitchell, E. Fako, M. A. Ortuño, N. López, S. M. Collins, P. A. Midgley, S. Richard, G. Vilé, J. Pérez-Ramírez,Nat. Nanotechnol., 2018, 13, 702-707. [88] T. E. Hoost, K. Otto, K. A. Laframboise, J. Catal., 1995, 155, 303-311. [89] Y. Jiang, X. Yu, Y. Ji, X. Jiang, Y. Guo, T. Li, L. Gao, R. Lang, Y. Fang, B. Qiao, J. Dong,Nano Res., 2024, 17, 3872-3878. [90] J. Audevard, J. Navarro-Ruiz, V. Bernardin, Y. Tison, A. Corrias, I. Del Rosal, A. Favre-Réguillon, R. Philippe, I. C. Gerber, P. Serp, ChemCatChem, 2023, 15, e202300036. [91] C. Chen, W. Ou, K.-M. Yam, S. Xi, X. Zhao, S. Chen, J. Li, P. Lyu, L. Ma, Y. Du, W. Yu, H. Fang, C. Yao, X. Hai, H. Xu, M. J. Koh, S. J. Pennycook, J. Lu, M. Lin, C. Su, C. Zhang, J. Lu, Adv. Mater., 2021, 33, 2008471. [92] Y. He,J.-C. Liu, L. Luo, Y.-G. Wang, J. Zhu, Y. Du, J. Li, S. X. Mao, C. Wang, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2018, 115, 7700-7705. |
| [1] | 李士宁, 姚俊韬, 庞淑馨, 张景彭, 李诗颖, 刘志成, 韩璐, 樊卫斌, 朱卡克, 朱贻安. 不互溶Ag提高Co/YSZ高压甲烷干重整催化剂稳定性研究[J]. 催化学报, 2025, 74(7): 82-96. |
| [2] | 赵子昂, 姜淼, 李存耀, 李怡蕙, 朱何俊, 林荣和, 袁慎峰, 严丽, 丁云杰. 费托合成与多相氢甲酰化技术耦合制高值化学品的研究进展[J]. 催化学报, 2025, 73(6): 16-38. |
| [3] | 刘青, 尚进, 刘振东. 塑料废弃物升级回收时代的分子筛催化剂: 迈向循环经济与可持续发展[J]. 催化学报, 2025, 71(4): 54-69. |
| [4] | 梁超安, 曾波, 冯保林, 史会兵, 张凤岐, 刘建华, 何林, 丁玉晓, 夏春谷. 烯烃氢甲酰化的钴基多相催化体系[J]. 催化学报, 2025, 70(3): 115-141. |
| [5] | Anton L. Maximov, Mikhail P. Egorov. 鸡尾酒型催化: 催化活性中心的动态本质与统一理论框架[J]. 催化学报, 2025, 78(11): 7-24. |
| [6] | 徐晨, 宋迪, 刘行刚, 邓芳, 张永才, 朱明山, 刘熙俊, 邹建平, 罗旭彪. 原子钴掺杂AgFeO2对过一硫酸盐活化过程中Fe(Ⅲ)电子结构调控的定量关联[J]. 催化学报, 2025, 77(10): 87-98. |
| [7] | 钟百灵, 胡俊蝶, 杨晓刚, 舒银颖, 蔡亚辉, 李长明, 曲家福. 金属有机框架中限域金属物种用于CO2加氢: 合成方法、催化机理及未来展望[J]. 催化学报, 2025, 68(1): 177-203. |
| [8] | Sam Van Minnebruggen, Ka Yan Cheung, Trees De Baerdemaeker, Niels Van Velthoven, Matthias Degelin, Galahad O’Rourke, Hiroto Toyoda, Andree Iemhoff, Imke Muller, Andrei-Nicolae Parvulescu, Torsten Mattke, Jens Ferbitz, 吴勤明, 肖丰收, Toshiyuki Yokoi, Nils Bottke, Dirk De Vos. 利用择形分子筛异构化亚甲基二苯胺[J]. 催化学报, 2024, 62(7): 124-130. |
| [9] | 李洋, 王雄, 胡星盛, 胡彪, 田昇, 王丙昊, 陈浪, 陈广辉, 彭超, 申升, 尹双凤. 可循环Pd/TiO2构筑及其紫外光催化苯甲醛与碘苯偶联合成二苯甲酮[J]. 催化学报, 2024, 59(4): 159-168. |
| [10] | 杜晓蕊, 黄一珂, 潘晓丽, 江训柱, 苏杨, 杨静怡, 郭亚琳, 韩冰, 文承彦, 王晨光, 乔波涛. “自上而下”构筑TiO2与Pt纳米簇之间的活性界面I: 再分散过程和机制[J]. 催化学报, 2024, 58(3): 237-246. |
| [11] | 杜晓蕊, 黄一珂, 潘晓丽, 江训柱, 苏杨, 杨静怡, 郭亚琳, 韩冰, 文承彦, 王晨光, 乔波涛. “自上而下”构筑TiO2与Pt纳米簇之间的活性界面II: 催化一氧化碳氧化反应性能和机理[J]. 催化学报, 2024, 58(3): 247-254. |
| [12] | 党健, 李玮杰, 秦斌, 柴玉超, 武光军, 李兰冬. 分子筛限域单位点钴体系催化芳香族化合物C-H键自调节高效氧化[J]. 催化学报, 2024, 57(2): 133-142. |
| [13] | 杨艳玲, 韩沛杰, 张元宝, 林敬东, 万绍隆, 王勇, 刘海超, 王帅. 用于间甲酚高效加氢脱氧制芳烃的负载型W2C纳米催化剂的活性位研究[J]. 催化学报, 2024, 67(12): 91-101. |
| [14] | 佛雨萌, 宋少佳, 杨坤, 纪向阳, 杨璐源, 黄刘赛, 陈欣宇, 吴学秋, 刘坚, 赵震, 宋卫余. 从头算分子动力学模拟揭示熵效应对Co@BEA分子筛催化乙烷脱氢反应的影响[J]. 催化学报, 2024, 65(10): 195-205. |
| [15] | Abhishek R. Varma, Bhushan S. Shrirame, Sunil K. Maity, Deepti Agrawal, Naglis Malys, Leonardo Rios-Solis, Gopalakrishnan Kumar, Vinod Kumar. C4二醇的发酵生产及其化学催化升级为高价值化学品的研究进展[J]. 催化学报, 2023, 52(9): 99-126. |
| 阅读次数 | ||||||
|
全文 |
|
|||||
|
摘要 |
|
|||||