近日，中国农业大学理学院应用物理系罗炳程教授等人在能源催化功能材料研究方面取得新进展，在国际顶级期刊《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表研究论文《单金属位点与纳米颗粒协同促进甲酸脱氢》（Combination of nanoparticles with single-metal sites synergistically boosts co-catalyzed formic acid dehydrogenation）。

该研究开发出一种满足高活性、高选择性要求的非贵金属非均相催化剂，为新型单金属原子催化剂的设计提供了创新思路。同时，揭示了不同尺寸金属位点之间的协同效应在提升催化性能中的作用机制，为能源催化领域提供了重要的理论贡献，并有望推动相关能源催化技术的创新发展。

氢能被认定为实现“碳达峰”与“碳中和”目标的关键技术途径。考虑到氢气的物理属性，确保其储存和运输的安全性与高效率是推进氢经济的核心所在。甲酸作为一种特殊的液态有机氢载体，能够在温和的条件下，在适宜催化剂的作用下实现氢气的储存与释放，且这一过程无需依赖大量外部能源。虽然目前已开发出多种用于甲酸脱氢的贵金属催化剂，但它们高昂成本限制了其广泛应用的潜力。相对而言，更具成本效益的3d金属催化剂展现出其显著的优势。因此，开发既展现高催化活性又保持高选择性的非贵金属非均相催化剂，已经成为科学研究中的一项迫切任务。

本研究开发了一种新颖的低成本钴基催化剂（Co-SA/NPs@NC），其特点是高度分散的单金属位点与钴纳米颗粒协同作用，大幅提升了甲酸脱氢的效率，性能较商用Pd/C催化剂提高了15倍。研究团队进一步揭示了纳米颗粒作为底物在吸附与活化步骤中的增强作用，以及单原子位点几何与电子结构的精细调控机制，这些发现为新型单金属原子催化剂的设计创造了新的机遇，并拓宽了催化剂设计的领域。

图1 材料的合成和电子显微照片

本研究利用简单的ZIF热解法合成钴单原子和纳米颗粒复合的催化剂（见图1），在碳酸丙烯酯 (PC) 中观察到Co SA/NPs@NC-950的活性最佳，达到1403.8 mL·g^-1·h^-1，超过了大多数已报道的非贵金属非均相催化剂，分别是商用 5% Pd/C 和 5% Pt/C 催化剂的 15 倍和 10 倍（见图2）。

图2 Co-SAs/NPs@NC-T催化剂活性与商用催化剂对比

基于原位红外光谱和密度泛函理论计算，本研究揭示了钴纳米颗粒在增强关键中间体HCOO*的吸附与活化过程中的作用，并显著降低了C-H键断裂反应控速步能垒（降低至0.34 eV），展现了卓越的甲酸脱氢催化活性（详见图3）。该研究成果为氢能领域中的化学氢储存与释放材料及其技术开发提供了创新思路。

图3 Co-SAs/NPs@NC-950 的第一性原理计算

中国农业大学罗炳程教授和北京航空航天大学石岩喆为论文第一作者，北航李想副教授等人为通讯作者。本研究工作得到中国农业大学校级高性能计算平台支持。

回国以来，罗炳程教授在信息功能材料和器件在农业和能源应用方面取得了一系列重要研究进展，相关成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）、《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）、《先进科学》（Advanced Science）、《德国应用化学》（Angewandte Chemie）、《纳米能源》（Nano Energy）等国际知名期刊。