苏州大学李彦光等AM: Ir1-WO3强电子作用体系用于高效持久催化CO2环加成反应

01 导读

目前，CO₂的过量排放是引起全球气候变暖的重要原因之一，如何合理减少大气中过量的CO₂是科学家面临的艰巨挑战。而将CO₂转化为有用的工业化学品被人们视为一种理想的解决方案。其中，CO₂与环氧化合物反应制备环状碳酸脂是一类非常重要的绿色碳资源转化技术。其产物可以广泛应用于极性溶剂、医药中间体和锂离子电池电解液。迄今为止，研究人员研究了大量用于合成环状碳酸酯的均相和非均相催化剂。与传统均相催化剂相比，非均相CO₂环加成催化剂省去了产品分离纯化的步骤，提高了工艺的经济可行性。在众多的非均相催化剂中，单原子催化剂(SAC_S)因其具有较高的原子利用率和均匀的活性位点分布，使CO₂环加成反应具有更高催化活性。虽然已有单原子催化剂被报道用于CO₂环加成反应，但是面临着在循环反应中环状碳酸脂产率会明显降低和稳定性较差的一系列问题。这可能是由于表面单原子的自由能较高，而导致在反应过程中发生团聚和失活。因此，有必要开发出具有优异稳定性的单原子催化剂以满足CO₂环加成反应的工业需求。

第一作者：许杰，徐恒，董安琪

通讯作者：张浩，戴升，王昱沆，李彦光

02 成果掠影

作者们通过简单的水热法合成了锚定在载体WO₃上的Ir单原子（Ir₁-WO₃）催化剂。该催化剂在低温下催化CO₂环加成反应表现出优异的催化活性。例如，在40℃反应条件下，氧化苯乙烯（SO）与CO₂反应的产率为100%。值得注意的是， 该催化剂在经过10个循环150小时测试后，其产物苯乙烯环状碳酸酯（SC）仍然保持了98%的产率。密度泛函理论(DFT)计算表明，Ir单原子与WO₃载体之间的强电子相互作用（EMSI）有利于稳定单原子，而且促进了中间体的吸附，从而降低了环氧环开环的能垒。

03 核心创新点

1、利用强电子相互作用制备出一种稳定的单原子催化剂Ir₁-WO₃。

2、该催化剂在催化CO₂环加成反应表现出优异的催化活性和循环稳定性。

04 数据概览

(a) Ir₁-WO₃合成示意图；(b) WO₃和Ir₁-WO₃的XRD；(c) Ir₁-WO₃的SEM图像；(d)高分辨TEM图像；(e) HAADF-STEM图像以及相应的EDS元素分布；(f) Ir₁-WO₃的HAADF-STEM图像，Ir单原子由红圈表示；(g) Ir和W原子沿(f)中1#的强度分布图。

(a) Ir₁-WO₃在不同温度下反应15 h后SC的产率；(b) 40℃时不同反应时间下Ir₁-WO₃/WO₃+TBAB和仅有TBAB的SC的产率；(c) Ir₁-WO₃/WO₃+TBAB和TBAB的Arrhenius图；(d) Ir含量不同负载的催化剂在40℃、反应15 h后SC的产率;(e) Ir₁-WO₃的十次循环实验；(f) 比较不同催化剂对CO₂环加成反应的循环稳定性；(g) Ir₁-WO₃在40℃下、反应15 h后，不同环氧化物进行CO₂环加成反应的对比。

05 成果启示

本文作者们合理设计并合成了一种稳定的Ir₁-WO₃单原子催化剂，可用于CO₂环加成反应。结构表征表明，Ir单原子与载体WO₃之间存在强烈的电子相互作用（EMSI）。该催化剂在催化CO₂环加成反应中表现出优异的催化活性和稳定性。

文献链接：Jie Xu, Heng Xu, Anqi Dong, et al. Strong Electronic Metal-support Interaction Between Iridium Single Atoms and WO₃ Support Promotes Highly Efficient and Robust CO₂ Cycloaddition. Adv. Mater. 2022. https://doi.org/10.1002/adma.202206991.