近日，我所催化與新材料研究中心（1500組群）王曉東研究員、林堅研究員團隊與福州大學林森教授團隊合作，在單原子催化劑外圍結構調控及其作用機制的研究方面取得新進展。
單原子催化概念自提出以來，已成為多相催化領域研究熱點之一。本工作提出“由外向內”的單原子催化劑設計策略，分別構筑了外圍具有五元環、六元環幾何結構的單原子催化劑，并揭示單原子外圍效應的作用機制。研究發現，與外圍六元環吡啶氮配位的鐵（Fe）單原子相比，五元環吡咯氮配位的Fe單原子價態更高，能夠提高二氧化碳（CO2）電還原性能。多種表征和理論計算研究表明，單原子Fe與鄰近配位五元環吡咯氮原子之間d-p耦合相互作用增強，導致單原子Fe的d軌道中心上移，其*COOH和*CO中間體具有合適的吸附強度，進而提高催化活性。進一步，團隊將外圍效應拓展到鎳（Ni）等其它M-N-C單原子體系，發現具有類似效果，表明基于外圍幾何結構調控單原子中心催化性能具有一定普適性。
此外，團隊還研究了外圍氮物種分布方式對單原子催化劑的影響規律。團隊發現，外圍氮的隨機分布可溫和調節銥（Ir）單原子催化劑對反應中間物種的吸附強度，有利于同時提高丙烷脫氫反應的活性和選擇性。該研究加深了對單原子催化劑外圍物種作用方式的理解。
王曉東、林堅團隊長期致力于單/雙原子、亞納米催化劑結構調控方面的基礎及應用研究，在單原子中心微環境作用（Nat. Catal.，2022；J. Am. Chem. Soc.，2023；Angew. Chem. Int. Ed.，2024；Chem. Eng. Sci.，2024；Small，2025）、雙原子協同催化（Adv. Mater.，2022；Angew. Chem. Int. Ed.，2023；J. Am. Chem. Soc.，2024；Angew. Chem. Int. Ed.，2024）等方面取得系列進展。本工作在前期工作基礎上，將研究內容拓展至單原子外圍環境的精準調控，為高效單原子催化劑的設計提供新思路。
相關進展中針對外圍幾何結構效應的研究，以“Outside-in” Design of Single-Atom Catalysts: Linking Specific Peripheral Geometry to Defined CO2 Reduction Performance”為題，發表在《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上，并被評為Hot Paper；針對外圍物種分布狀態的研究，以“Regulating Peripheral Nitrogen Dopants in Single-Atom Catalysts to Enhance Propane Dehydrogenation”為題，發表在《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上，并被評為VIP文章；關于單原子催化外圍效應的展望，以“Peripheral effect promotes single-atom catalysis”為題，發表在《配位化學綜述》（Coordination Chemistry Reviews）上。上述工作得到國家自然科學基金委“單原子催化”基礎科學中心項目、國家自然科學基金、遼寧省興遼英才計劃、中國科學院青年創新促進會等項目的資助。（文/圖 陳洋、曹利茹）
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/ange.202511184；https://doi.org/10.1002/anie.202416912；https://doi.org/10.1016/j.ccr.2025.216649
