华南师大/辛辛纳提ACS Catal.: GDQD/GNQDRu上高Ru单原子负载，用于高效加氢脱卤和加氢脱芳

原子分散的金属催化剂可以最大限度地提高原子利用率，因此表现出比其块体和纳米材料优异的催化活性。然而，SAC受到其有限的金属原子负载的限制，特别是对于贵金属，其显着低于商业基准，因此限制了其催化活性。

合成SAC有两种传统的合成策略，即“自上而下”和“自下而上”。

“自上而下”策略从大块催化剂载体开始，例如碳纳米片或纳米管，随后化学形成用于金属原子限域的空位。然而，由于空位大小难以均匀控制，有限的空位将导致形成金属团簇或高金属负载量的纳米颗粒。

“自下而上”的策略通常从金属负载的有机前体开始，例如金属-有机框架。然而，金属原子的过量添加也倾向于在随后的高温热过程中聚集成团簇。因此，需要开发新的SAC合成，以克服上述问题。

近日，华南师范大学黄明智和辛辛纳提大学Dionysios D. Dionysiou等报道了一种利用石墨炔/γ-石墨炔量子点(GDQD-Ru/GNQD-Ru)合成高Ru负载量的SAC的新方法。

结果表明，与块状碳纳米片相比，基于石墨炔/γ-石墨炔量子点的碳纳米片合成策略显著提高了单原子Ru的负载量，Ru载量在GDQD-Ru中为27.6 wt%，在GNQD-Ru中为16.0 wt%，分别比报道的Ru SAC高约7倍和4倍；并且，GDQD-Ru和GNQD-Ru中70%以上的Ru中心以零氧化态(Ru⁰)存在。

更重要的是，GDQD-Ru/GNQD-Ru催化剂能够选择性地将剧毒污染物转化为有用的产品，其对氯酚类化合物具有良好的催化活性和选择性(> 99%)，并且在连续的加氢脱卤和加氢脱芳烃反应中也表现出优异的催化稳定性。

研究人员采用密度泛函理论(DFT)和EXAFS研究了Ru单原子在GDQD-Ru (sp-N掺杂石墨炔和本征石墨炔)和GNQD-Ru (sp-N掺杂γ-石墨炔和本征γ-石墨炔)中可能的吸附位的几何结构。

理论计算表明，4-CP在Ru单原子位点上加氢脱卤和加氢脱芳的自由能路径证实了4-CP转化的限速步骤可能是水脱附、氯吸附和环己醇脱附；在相同的反应条件下，基于石墨炔的Ru位比基于γ-石墨炔的Ru位点更容易实现H₂驱动的4-CP转化。

综合实验和理论分析，石墨炔比γ-石墨炔具有更好的Ru单原子负载和氯酚选择性转化性能。综上，该项工作为利用石墨炔/γ-石墨炔量子点合成高贵金属负载量的SAC以及高选择性地将有毒的氯酚类污染物加氢脱卤和加氢脱芳提供了一种新的方法。

High-Loading Single-Atom Ru Catalysts Anchored on N-Doped Graphdiyne/γ-Graphyne Quantum Dots for Selective Hydrodehalogenation and Hydrodearomatization. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c01390