基于主客体化学的金属单原子催化材料合成

Metallic single-site catalysts (metallic single-atom catalysts) are considered as a novel heterogeneous catalytic materials with the maximum Metallic single-site catalysts (metallic single-atom catalysts) are considered as a novel heterogeneous catalytic materials with the maximum atom utilization, which is close to homogeneous complex catalysts. However, synthesis of stable metallic single-atom catalysts is still a challenge in inorganic synthesis chemistry. This project is proposed to develop a general strategy to prepare metallic single-atom materials (Fe, Co, Ni, Pt, Ru, etc.) based on the host-guest interaction between metal precursors and host molecules such as crown ether, pillararene, calixarene, cyclodextrin and cucurbituril. Mizoroki-Heck coupling, selective hydrogenation of alpha,beta-unsaturated aldehydes/ketones and hydroformylation of alkenes will be selected as probes to evaluate the catalytic performances of the as-prepared single-atom catalysts. By comparing with traditional homogeneous catalyst and traditional heterogeneous catalyst, the physical and chemical nature of single-atom catalysis shall be revealed. This project is of significance to develop synthesis technology of single-atom materials and catalysis theory.

金属单位点催化材料（金属单原子催化剂）被认为是原子利用率最高、催化性能最接近于金属配合物均相催化剂的一类新型异相催化材料。但合成、制备稳定的金属单原子催化材料是无机合成化学中富有挑战性的课题之一。本项目拟采用冠醚、柱芳烃、杯芳烃、环糊精、葫芦脲等为主体，基于主客体相互作用原理，探索发展具有优异催化性能的过渡金属单原子催化剂（如Fe、Co、Ni、Pt、Ru等）的合成方法；选取Mizoroki-Heck反应、alpha, beta-不饱和醛酮选择性加氢、烯烃氢甲酰化等经典探针反应为模型反应，对所合成的单原子催化剂催化性能进行评价，结合对传统金属配合物均相催化剂、金属纳米晶异相催化剂催化性能的比较，揭示金属单原子催化的物理化学本质。本项目对金属单原子材料合成方法学及单原子催化本质的理解具有重要意义。

金属单位点催化材料（金属单原子催化剂）被认为是原子利用率最高、催化性能最接近于金属配合物均相催化剂的一类新型异相催化材料。但合成、制备稳定的金属单原子催化材料是无机合成化学中富有挑战性的课题之一。本项目拟基于主客体相互作用原理，探索发展具有优异催化性能的过渡金属单原子催化剂（如Fe、Co、Ni、Pt、Ru等）的合成方法并对其催化性能进行深入研究。项目的实施取得了系列重要进展：1、以环糊精聚合物为载体，发展了一种基于主客体化学原理的新型单原子金属催化材料通用合成策略；2、通过深入研究发现这种基于主客体化学的单原子催化剂的催化行为非常接近于酶催化，催化剂中的单原子结构和主客体相互作用对最终其优异催化性能都有直接贡献；3、项目还开发出如纳米功能蚕丝、二维纳米花、纳米晶修饰纳米片等多种新型纳米功能材料。项目执行期间共发表学术论文5篇，包括Nano Lett. 1篇，Chem. Commun. 2篇， Chemcatchem 1篇，Nano Res.1篇。项目研究成果对于未来人为设计合成开发出无限接近、甚至超越生物酶的超级催化剂奠定了坚实的基础。