Synergizing metal–support interactions and spatial confinement boosts dynamics of atomic nickel for hydrogenations

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作者
Jian Gu,Minzhen Jian,Li Huang,Zhihu Sun,Aowen Li,Yang Pan,Jiuzhong Yang,Wu Wen,Wu Zhou,Yue Lin,Huijuan Wang,Xinyu Liu,Leilei Wang,Xianxian Shi,Xiaohui Huang,Lina Cao,Si Chen,Xusheng Zheng,Haibin Pan,Junfa Zhu
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:16 (10): 1141-1149 被引量:372
标识
DOI:10.1038/s41565-021-00951-y
摘要

Atomically dispersed metal catalysts maximize atom efficiency and display unique catalytic properties compared with regular metal nanoparticles. However, achieving high reactivity while preserving high stability at appreciable loadings remains challenging. Here we solve the challenge by synergizing metal-support interactions and spatial confinement, which enables the fabrication of highly loaded atomic nickel (3.1 wt%) along with dense atomic copper grippers (8.1 wt%) on a graphitic carbon nitride support. For the semi-hydrogenation of acetylene in excess ethylene, the fabricated catalyst shows extraordinary catalytic performance in terms of activity, selectivity and stability-far superior to supported atomic nickel alone in the absence of a synergizing effect. Comprehensive characterization and theoretical calculations reveal that the active nickel site confined in two stable hydroxylated copper grippers dynamically changes by breaking the interfacial nickel-support bonds on reactant adsorption and making these bonds on product desorption. Such a dynamic effect confers high catalytic performance, providing an avenue to rationally design efficient, stable and highly loaded, yet atomically dispersed, catalysts.
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