近日，《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）在线发表了我校化学工程与技术学院仲崇立/黄宏亮团队青年教师李健副教授的研究成果，其成功地将Irving-Williams序列理论应用于单原子位点（SASs）催化剂设计和制备（Jian Li, Minghao Du, Zhenfa Wu, Xinru Zhang, Wenjuan Xue, Hongliang Huang,* and Chongli Zhong*, Engineering Single-Atom Sites with the Irving-Williams Series for the Simultaneous Co-photocatalytic CO2 Reduction and CH3CHO Oxidation, Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202407975）。
从d5到d10的过渡金属活性中心，其键能热力学平衡常数呈“Λ”型趋势，理论上峰值为Ni的d8。然而，受到Jahn-Teller效应影响，自发的几何畸变会导致波峰从Ni的d8变为Cu的d9，进而改变了金属与载体之间的晶体场稳定化能，使得含氮配体与3d二价金属离子耦合的配合物稳定性遵循Irving-Williams序列：Mn (d5) < Fe (d6)< Co (d7)< Ni (d8)< Cu (d9)> Zn (d10)。尽管该序列对金属配合物的合成具有重要的指导意义，但将这一理论应用于设计单原子位点（SASs）催化剂的研究尚未见报道。
本研究在前期限域单原子位点催化剂的研究基础上（Nat. Catal., 2021, 4, 719），开发了一种带有邻菲罗啉单元的共价邻菲罗啉框架（CPFs）材料，用于锚定d5到d10的SASs（Mn²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺和Zn²⁺），如图1所示。经过系列实验表征和理论计算验证，Irving-Williams序列准确预测了上述单原子位点催化剂的稳定性和电荷转移效率。光催化性能测试结果表明，与其他metal-SASs/CPFs催化剂相比，Cu-SASs/CPFs展现出更优异的光还原CO2到CO和光氧化CH3CHO到CH3COOH的活性。
图1.Irving-Williams序列设计单原子位点催化剂示意图
该论文的第一作者为化工学院青年教师李健副教授，黄宏亮副研究员和仲崇立教授为共同通讯作者。这是该团队今年在Angew. Chem. Int. Ed.期刊上发表的第4篇论文，团队项目受到国家自然基金重点和青年项目（No. 22038010, 22208244）及天津市自然科学基金（No. 22JCQNJC01390）的资助。