Tuning the coordination environment of single-atom catalyst M-N-C towards selective hydrogenation of functionalized nitroarenes

催化作用 选择性 过渡金属 配位复合体 化学 Atom(片上系统) 协调数 协调球 材料科学 无机化学 金属 纳米技术 有机化学 离子 计算机科学 嵌入式系统
作者
Dan Zhou,Leilei Zhang,Xiaoyan Liu,Haifeng Qi,Qinggang Liu,Ji Yang,Yang Su,Jingyuan Ma,Jianzhong Yin,Aiqin Wang
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:15 (1): 519-527 被引量:92
标识
DOI:10.1007/s12274-021-3511-z
摘要

Fine-tuning of the coordination environment of single-atom catalysts (SACs) is effective to optimize their catalytic performances, yet it remains challenging due to the vulnerability of SACs. Herein, we report a new approach to engineering the coordination environment of M-N-C (M = Fe, Co, and Ni) SACs by using glutamic acid as the N/C source and pyrolysis atmosphere as a regulator. Compared with that in N2, NH3 was able to promote the doping of N at T < 700 °C yet etch the N-species at higher temperatures, by which the M-N coordination number (CN) and the electronic structure were delicately tuned. It was found that the electron density of Ni single atoms increased with the decrease of Ni-N CN. As a consequence, the capability of Ni-N-C to dissociate H2 was greatly enhanced and a higher catalytic activity in chemoselective hydrogenation of functionalized nitroarenes was achieved. Moreover, this modulation method could be applied to other transition metals including Fe and Co. In particular, the as-synthesized Co-N-C SAC afforded a turnover frequency of 152.3 h−1 with 99% selectivity to 3-vinylaniline in the hydrogenation of 3-nitrostyrene, which was the highest ever reported thus far and was at least one order of magnitude more active than state-of-the-art noble-metal-free M-N-C catalysts, demonstrating the great potential of engineering the coordination environment of SACs.
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