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Angew. Chem. :首次報道硫醇保護的、具有精確結(jié)構(gòu)的還原態(tài)Pd納米團簇2022-11-30
第10族金屬(Ni、Pd、Pt等)是非常重要的過渡金屬,尤其是周期表中聯(lián)結(jié)鎳和鉑的鈀在催化領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注,多個工業(yè)實際應(yīng)用案例以及2010年度諾貝爾化學(xué)獎授予“鈀催化交叉偶聯(lián)反應(yīng)”就是很好的證明。Pd配合物和Pd納米材料都可以作為優(yōu)良的催化劑。然而,對于經(jīng)典Pd納米材料,其多分散性阻礙了構(gòu)效關(guān)系的深入研究,影響了對其功能的迭代改進。基于這一情況,中科院固體物理所伍志鯤課題組在約十年前就開始對硫醇保護的10族金屬納米團簇(11族金屬納米團簇的類似物)展開了研究。遺憾的是,使用之前的金、銀納米團簇合成方法未能成功合成具有還原態(tài)的第10族金屬納米團簇,卻獲得了皇冠狀結(jié)構(gòu)的配合物,非常穩(wěn)定,不易受酸、堿、氧、NaBH4和摻雜等因素的影響。其他小組也為此付出了努力,獲得了還原態(tài)的鈀納米團簇,但這些產(chǎn)物是多分布的(混合物)。合成單分布的還原態(tài)Pd納米團簇構(gòu)成一個重大挑戰(zhàn),擺在科研工作者面前。

建立在前期合成工作基礎(chǔ)和對反應(yīng)動力學(xué)和熱力學(xué)的調(diào)控上,伍志鯤課題組發(fā)展了一種新的合成方法,成功合成了一種單分散的、硫醇保護的還原性Pd納米團簇,并主要通過質(zhì)譜和單晶X射線衍射(SCXRD)鑒定了其原子組成和結(jié)構(gòu)。其核心由八個Pd原子和一個間隙B原子組成,保護層由六個2,4-DMBT、三個PPh2和兩個PPh3配體組成(圖1a)。從另一個角度來看,內(nèi)核由兩個Pd4四面體(圖1b和d)和一個中間有間隙B原子的Pd6三角棱柱組成(圖1c)。兩個Pd4四面體可被視為通過與Pd6三角棱柱的頂部和底部表面共享一個Pd3三角形(圖1e)。Pd6三棱柱中心的間隙B原子對Pd-Pd金屬鍵的形成有明顯的影響。所獲得的Pd納米團簇中八個Pd原子的總電荷狀態(tài)為+6,因為插入的B帶+3電荷,而表面-SR、PPh3和PPh2分別帶-1、0、-1電荷(Z = –(+3 – 1 x 6 – 1 x 3 + 2 x 0)= +6)。因此,每個Pd的平均電荷態(tài)為+0.75,接近于還原態(tài)的第11組金屬納米團簇中金屬的平均電荷狀態(tài)(0<q<1),表明所獲得的團簇是還原態(tài)的Pd納米團簇。

 

 

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圖1.(a) Pd8結(jié)構(gòu)的總圖;(b) Pd4四面體;(c) 中心含有B原子的Pd6三角棱柱;(d) Pd4四面體;(d) 具有兩個Pd4四面體和一個B原子的Pd8B內(nèi)核。顏色標簽:藍色,B;黃色,S;紫色,P;灰色,C;其他,Pd。

這種特殊的結(jié)構(gòu)和價態(tài)暗示著Pd8納米團簇是一種良好的模型催化劑。通過與中科院過程所楊軍課題組的合作,相關(guān)科研人員開展了電催化還原氧氣研究。為了對比,Pd2配合物和~1.4 nm鈀納米粒子(NPs)被合成出來。相對于Pd2配合物、Pd NPs甚至商用Pt/C催化劑,Pd8納米團簇顯示了ORR的最大正起始電位(1.0 V)(前面三個分別為0.88 V、0.97 V、0.98 V)。此外,Pd8納米團簇的半波電位(0.90 V)大于Pd2配合物(0.75 V)、Pd NPs(0.87 V)和商用Pt/C催化劑(0.86 V),表明Pd8納米團簇對ORR的效率最高。在面積活性和質(zhì)量活性對比中,也發(fā)現(xiàn)Pd8納米團簇具有最佳的電催化活性。通過理論計算表明Pd團簇中鈀原子上的電荷(+0.75)有利于ORR,歸因于具有適量電荷的鈀原子對反應(yīng)中間體具有良好的吸附(活化)和解吸平衡。此外,還發(fā)現(xiàn)單個活性位點可避免生成氧橋中間體,有利于氧還原反應(yīng),為單原子催化劑在該類反應(yīng)中有較高的催化活性提供了一個詮釋,對后續(xù)催化研究具有重要的啟發(fā)。

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圖2. ?Pd2配合物、Pd8納米團簇、~1.4 nm鈀納米粒子(NPs)和商用Pt/C催化劑電催化氧還原(ORR)活性比較。

文信息

Thiolated, Reduced Pd Nanoclusters with Resolved Structures for the Electrocatalytic Reduction of Oxygen

Dr. Shengli Zhuang, Dr. Dong Chen, Dr. Qing You, Wentao Fan, Prof. Jun Yang, Prof. Zhikun Wu

文章的第一作者是固體所博士后莊勝利、過程所陳東副研究員、固體所博士后尤青和固體所博士生范文濤。

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202208751

 

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