清华大学王定胜：高性能碳氮负载Fe2团簇催化剂用于烯烃环氧化

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亚纳米尺度的金属团簇相比对应的纳米颗粒物通常具有独特且令人意想不到催化特性。当催化剂沉积在衬底上时，催化剂中少数的原子能够作为连接均相和非均相催化的强有力的桥梁。由于亚纳米体系的特性能够通过去除或添加一个原子而显著的发生变化，因此深入理解结构——特性之间的关系对于设计具有出色活性和选择的催化剂具有重要意义。亚纳米团簇的结构和成分能够通过XAFS光谱，球差矫正STEM表征，原子精度是合成单分散金属催化剂的首要前提，但这仍然是一个巨大的挑战。

环氧化合物是精细化工和生物转化的重要中间体。在目前的液相烯烃环氧化方法中，通常需要大量使用昂贵的氧化剂或大剂量的联合试剂，这不可避免地导致成本增加。为了克服这一缺点，研究人员已经开发了几种均相催化剂，如铁和钌代替的多金属氧酸盐，允许O2作为氧化剂，而不需要任何辅助还原剂。相比之下，相应的多相催化剂很少报道。因此，通过桥接两种类型的催化剂，负载的亚纳米金属簇有望在反应中发挥作用。

近日，来自清华大学的王定胜教授团队在Nature communications上发表文章，题为：Carbon nitride supported Fe2 cluster catalysts with superior performance for alkene epoxidation。该团队报道了一种“前体预选”的湿化学策略来合成负载在介孔碳氮化物(mpg-C3N4)上的高度分散的Fe2纳米团簇。所得Fe2/mpg-C3N4样品对反式二苯乙烯环氧化为反式二苯乙烯氧化物显示出优异的催化性能，在91 %的高转化率下显示出93 %的优异选择性。分子氧是唯一的氧化剂，不使用醛作为联合试剂。相比之下，在相同条件下，铁卟啉、单原子铁和小的铁纳米粒子(ca. 3 nm)的反应几乎是惰性的。第一性原理计算显示，Fe2团簇的独特反应性源于活性氧的形成。通过合成Pd2和Ir2等其他双原子簇，进一步证明了该合成方法的普遍适用性，为发现双原子簇催化剂奠定了基础。