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标题：High activity and selectivity of single palladium atom for oxygen hydrogenation to H2O2
第一作者：Shiming Yu
通讯作者：Hongyi Li, Chunqiang Zhuang, Ge Chen
研究内容：
纳米钯（Pd）基催化剂广泛应用于直接从 H2和 O2合成过氧化氢 (H2O2)。然而，由于反应物 O2和产物 H2O2的O-O 键断裂，它的选择性和产率仍然较低，这被预测源于 Pd纳米颗粒上的各种 O2吸附结构。这里，报道了具有高活性和选择性的单个 Pd 原子催化剂。密度泛函理论计算证明 O-O 键断裂发生在单个Pd原子上，O2更容易被激活形成*OOH，这是一个H2O2合成的关键中间体；此外，H2O2降解被关闭。在这里，我们展示了单 Pd 原子催化剂显示出显著的H2O2产率（115 mol/gPd/h），选择性高于99%；而H2O2的浓度达到了1.07 wt.%。
文章要点：
要点一：通过简单的水热反应成功合成了一系列TiO2（商业 P25）负载的O-Pd（氧化Pd）催化剂。在催化剂制备前，TiO2 在 450℃下，在空气中煅烧4小时（升温速率：5℃ /min）以去除表面水分。将相应量的 Na2PdCl4 (10 g/L) 添加到 TiO2 (1 g) 载体悬浮液中，并在磁力搅拌下80℃加热3 h。然后，将得到的 Pd/TiO2 粉末离心分离，冻干过夜。随后将得到的催化剂在空气中以 5℃/min 的升温速率在 350℃下煅烧 3 h。为了获得更大尺寸的氧化钯纳米粒子，载有 3% 钯的样品在 450℃和600℃下加热3 h，其他条件不变。
要点二：最后，单 Pd 原子催化剂显示出显著的H2O2产率（115 mol/gPd/h），选择性高于99%；而H2O2的浓度达到了1.07 wt.%。
图1：直接合成 H2O2 的示意图。
图2：催化剂的结构表征。a O-Pd/TiO2的 XRD 图谱。b 带有 2 nm 比例尺的 0.1%O-Pd/TiO2的 HAADF-STEM 图像。c 带有 5 nm 比例尺的 1% O-Pd/TiO2的HAADF-STEM图像。d 0.1%O-Pd/TiO2的STEM-EDS 元素映射，比例尺 200 nm。
图3：光谱表征。 a Pd K 边缘的 XANES 光谱和 b PdO和 Pd 箔的傅里叶变换 Pd K 边缘 EXAFS 光谱。c 0.1% O-Pd/TiO2在 R 空间的 FT EXAFS 拟合光谱。 d 催化剂的 X 射线光电子能谱。
图4：催化性能。不同的催化剂进料的 a, b H2O2 的量和 H2O2 的选择性。反应时间：30分钟。c, d H2O2量和不同反应时间对H2O2的选择性。催化剂进料：10毫克。e H2O2降解测试。反应条件：5%H2/CO2（3.0 Mpa）、2.5 mg催化剂、8.5 g溶剂（2% H2O2），1200 rpm，2℃。f 稳定性测试。反应条件：5%H2/CO2(3.0 Mpa), 25%O2/CO2 (1.2 Mpa), 2.5 mg 催化剂, 8.5 g 溶剂, 1200 rpm,2℃，30 分钟。
图5：DFT计算。
参考文献：
Yu, S., Cheng, X., Wang, Y. et al. High activity and selectivity of single palladium atom for oxygen hydrogenation to H2O2. Nat Commun 13, 4737 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32450-6
DOI：10.1038/s41467-022-32450-6
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