JACS：原位形成Pt-Ga异质双原子催化剂用于N-杂环高效储氢

云深

2026-03-17

全文概要

美国加州大学洛杉矶分校Yu Huang、Philippe Sautet团队成功开发了一种新型异质双原子催化剂——Pt₁-Ga₁/CeO₂，通过将Pt和Ga以原子级分散形式锚定在CeO₂载体上，实现了对N-杂环化合物高效、可逆的储氢与释氢反应。该催化剂在四氢喹啉脱氢反应中表现出282.0 mol_THQ mol_Pt⁻¹ h⁻¹的极高初始反应速率，远优于Pt单原子催化剂和商业Pt/C；在喹啉加氢反应中也展现出优异的活性与选择性。结合原位X射线吸收光谱与密度泛函理论计算，研究发现Ga在C–H键活化中起关键中介作用，与Pt形成协同活性中心，显著提升了催化效率与稳定性。该工作为设计高效、原子经济型液体有机氢载体催化剂提供了新思路。

本文要点

1. 合成与结构：通过共沉淀法合成Ga掺杂CeO₂纳米棒，再经抗坏血酸辅助还原法引入Pt，成功构建Pt₁-Ga₁/CeO₂异质双原子催化剂。HAADF-STEM和EXAFS证实Pt和Ga以原子级分散存在，且Pt-Ga之间形成直接键合，构成双原子活性中心。

2. 催化性能：Pt₁-Ga₁/CeO₂在四氢喹啉脱氢反应中6 h内实现>99%转化率，初始反应速率为282 mol_THQ mol_Pt⁻¹ h⁻¹，是Pt₁/CeO₂的1.4倍、商业Pt/C的10倍。在喹啉加氢反应中，1 h转化率达97.6%，选择性>97%，且具有良好的循环稳定性。

3. 机理阐释：原位XAS与DFT计算揭示，在反应条件下Pt被还原并与Ga形成Pt-Ga双原子对，Ga在C–H键断裂中作为氢转移中介，促进质子从底物转移到邻近氧位点；该协同机制显著降低了脱氢与加氢反应的能垒，提升了整体反应效率。

4. 普适性与应用前景：该策略不仅适用于THQ/喹啉体系，还可拓展至多种取代N-杂环化合物的脱氢反应，展现出良好的底物适应性。Pt-Ga双原子结构在多次循环后仍保持原子级分散，具备优异的稳定性与再生能力，为未来高效、低贵金属负载的LOHC催化剂设计提供了新范式。

文献详情

Luning Chen, Simran Kumari, Huihuang Fang, et al. In Situ Formed Pt-Ga Hetero Duo-Atomic Catalyst for Efficient Hydrogen Storage in N-Heterocycles, J. Am. Chem. Soc. (2025) DOI: 10.1021/jacs.5c18832

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https://doi.org/10.1021/jacs.5c18832