负载在空心氮掺杂碳球上的单原子钴催化剂：优异的电催化氧还原活性

　　N杂环的催化脱氢和转移氢化或氢化是有机转化的必要和重要的过程。因此也受到了越来越多的关注。从有机储氢体系来讲，由于降低了反应的吸热性，使得N-杂环的脱氢比环烷烃脱氢更为可行。另外，N-杂环的无受体脱氢释放H2，提供了一个高效的制备N杂环化合物如吲哚和喹啉等的路径。虽然，已开发出一些均相和非均相金属催化剂，但这些催化剂大多数都仅仅可以进行转移氢化或氢化反应，或仅能催化相反的脱氢反应。并且，这些催化剂主要是均相贵金属催化剂。然而，可以同时进行N杂环的脱氢和N-杂环的转移氢化或氢化的催化剂是非常罕见的。 

　　单原子催化剂因其最大的原子利用率、优良的反应性和选择性而引起了科学工作者的广泛关注。随着合成方法的发展，成功地制造了大量的单原子催化剂。因为它们成功地继承了均相和非均相催化剂的优点，使得它们不仅表现出优异的电催化性能，而且对有机转化也具有很高的催化活性。众所周知，非均相催化剂的催化性能，高度依赖于载体材料。最佳的载体材料可以缩短扩散路径，并为反应物提供足够的界面面积。因此，单原子催化剂的广泛应用仍需要基于最优的载体特点开发合理和通用的合成方法。 

　　最近，我们开发了一种模板辅助裂解法合成单原子催化剂。报道了其在电催化方面的性质。与广泛研究的电催化相比，单原子催化剂很少被用于有机反应，更不用说N-杂环化合物的催化脱氢，转移氢化或氢化反应。在这里，我们报告一个负载在有序的多孔氮掺杂碳上的单原子钴催化剂（ISAS-Co/OPNC）。通过球差矫正电镜暗场照片可以清晰地观察到钴原子的亮点。利用北京同步辐射装置（BSRF）X射线吸收谱技术（XAFS）表征说明没有存在Co-Co金属键。同时对数据进行小波变化后，也表明没有Co-Co键的存在。通过XAFS分析，钴原子被周围的4个N原子配位稳定。理论模拟得到的模型键长和配位数与实验得到的结果基本吻合。有趣的是，ISAS-Co/OPNC可以同时催化N-杂环的脱氢释放H2，并可以甲酸或氢气作为氢源进行相反的转移氢化或氢化。该催化剂的催化性能优于已经报道的均相和非均相贵金属催化剂。用第一性原理计算系统地研究了反应机理，提出了以Eley-Rideal机制为主导的反应机理。开发了一种可用于催化可逆脱氢/氢化的催化剂，这为有机分子用作储氢材料产生H2从而替代石油燃料提供了一种可能。相关工作发表在Angewandte Chemie上。 

发表文章： 

　　Yunhu Han+, Ziyun Wang+, Ruirui Xu, Wei Zhang, Wenxing Chen, Lirong Zheng, Jian Zhang, Jun Luo, Konglin Wu, Youqi Zhu, Chen Chen, Qing Peng, Qiang Liu, P. Hu, Dingsheng Wang,* and Yadong Li*, Ordered Porous Nitrogen-Doped Carbon Matrix with AtomicallyDispersed Cobalt Sites as an Efficient Catalyst for Dehydrogenation and Transfer Hydrogenation of N-Heterocycles, Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 11262 –11266.