Confined Assembly of Well-Defined Single-Unit Chain with Charge Delocalization for Boosting Catalysis

化学 Boosting(机器学习) 离域电子 电荷(物理) 催化作用 链条(单位) 组合化学 纳米技术 有机化学 人工智能 天文 计算机科学 量子力学 物理 材料科学
作者
Boyuan Yu,Zhen Yao,Zhenbo Cheng,Yulong Jiang,Hao Yang,Zhi Wang,Guodong Jia,Kun Wang,Meihui Song,Yingbo Li,Chengkai Zhang,Haibin Chu,Yang‐Gang Wang,Di Sun,Yan Li,Feng Yang,Yan Li,Feng Yang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (38): 34647-34658 被引量:4
标识
DOI:10.1021/jacs.5c09743
摘要

The ultimate miniaturization of catalysts to single-atomic dimensions offers a promising route to maximize the catalytic performance through fully exposed active sites and precisely tailored electronic structures. However, the synthesis of atomically precise one-dimensional single-cluster or single-atom catalysts with the simplest periodicity remains challenging due to their thermodynamic instability. Here, we report a general strategy for fabricating single-unit-chain catalysts confined within single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), where charge delocalization dramatically enhances the catalytic performance. Through a liquid-phase assembly approach, diverse clusters and atoms can be uniformly packed into ordered single-unit chains inside SWCNTs, irrespective of their electronic properties or solubility. These identical, well-defined single-unit chains maintain intimate contact with the conductive graphene walls of SWCNTs, enabling tunable positive or negative charge delocalization across the nanotube surfaces. The resulting catalysts demonstrate remarkable activity enhancements in both redox and coupling reactions, exhibiting rate constants 7.5∼28 times greater than their isolated cluster counterparts. Mechanistic studies reveal that charge delocalization simultaneously increases the density of active sites and reduces the activation barriers. This synthetic approach and catalytic mechanism show universal applicability to various single-chain catalysts. These systems maintain nearly undiminished activity in 230 h continuous-flow reactions, highlighting their exceptional stability for practical applications.
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