Pour les catalyseurs à un seul atome (SAC), les supports de catalyseur ne sont pas seulement des ancres pour les atomes simples, mais aussi des modulateurs pour les structures géométriques et électroniques, ce qui a un impact important sur les performances catalytiques. La sélection d’un support approprié pour préparer les SAC avec des environnements de coordination uniformes est essentielle pour obtenir des performances optimales et clarifier la relation entre la structure et la propriété des SAC.
Graphdiyne (GDY), un nouvel allotrope de carbone périodique bidimensionnel avec une couche d’épaisseur atomique, qui a été synthétisé pour la première fois par le professeur Yuliang Li à l’ICCAS, en Chine, est composé d’atomes de carbone hybrides sp dans des atomes de carbone diacétyléniques et hybrides sp2 dans les cycles benzéniques. La structure unique riche en alcynes de GDY en fait un support idéal pour ancrer des atomes uniques en raison des pores uniformément répartis et des grandes énergies de liaison aux atomes métalliques via la forte interaction d-π. Profitant des caractérisations ci-dessus de GDY, le Dr Changyan Cao et le Dr Feng He de l’ICCAS présentent une stratégie efficace et simple pour fabriquer des atomes simples de Cu ancrés sur GDY (Cu1/GDY) avec des sites uniques Cu1-(sp)C4 uniformes sous conditions douces.
En utilisant la spectroscopie d’absorption des rayons X par rayonnement synchrotron, la spectroscopie des photoélectrons X et le calcul de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT), il est prouvé que l’environnement de coordination Cuδ + (0 1-(sp)C4. Cu1/GDY a démontré d’excellentes performances catalytiques pour oxydation du benzène en phénol en utilisant H2O2 La fréquence de rotation calculée (TOF) est d’environ 251 h-1 à température ambiante et 1889 h-1 à 60 ° C, ce qui est nettement plus élevé que les catalyseurs précédemment rapportés dans les mêmes conditions de réaction.
De plus, même avec une conversion élevée du benzène de 86 %, une sélectivité élevée en phénol (96 %) est maintenue, ce qui peut être attribué à la nature de surface hydrophobe et oléophile de Cu1/GDY pour l’adsorption du benzène et la désorption du phénol. La spectroscopie d’absorption des rayons X synchrotron, la spectroscopie d’absorption infrarouge à transformée de Fourier et la théorie fonctionnelle de la densité montrent que le site actif Cu1-C4 peut activer plus efficacement H2O2 pour former une liaison Cu=O, qui est un intermédiaire actif important pour l’oxydation du benzène en phénol. L’activité intrinsèque plus élevée de Cu1 / GDY par rapport aux autres SAC de Cu avec des structures de coordination de l’azote est clarifiée par les calculs DFT du centre de la bande Cu-3d.
Ce travail présente non seulement une voie efficace pour fabriquer des SAC métalliques supportés par GDY avec des centres métal-C4 uniformes, mais fournit également un catalyseur d’hydroxylation du benzène prometteur pour la production de phénol avec H2O2.
La recherche a été publiée dans Examen scientifique national.
Jia Yu et al, Uniform Single Atomic Cu1-C4 Sites Anchored in Graphdiyne for Hydroxylation of Benzene to Phenol, Examen scientifique national (2022). DOI : 10.1093/nsr/nwac018