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北京理工大學材料學院戎宏盼副教授、化學與化工學院張加濤教授設計制備了介孔氮氧摻雜碳納米片負載的鈦單原子催化劑（Ti-CNO），并將其用于光熱催化CO₂與氧化苯乙烯的環加成反應。相關研究成果以“Single-Atom Titanium on Mesoporous Nitrogen, Oxygen-Doped Carbon for Efficient Photo-thermal Catalytic CO₂ Cycloaddition by a Radical Mechanism”為題發表在國際頂級期刊《Angewandte Chemie International Edition》（DOI：10.1002/anie.202404911）。北京理工大學為唯一通訊單位，北京理工大學材料學院2021級碩士研究生王一凡為本文第一作者，戎宏盼副教授和張加濤教授為論文共同通訊作者。

針對“雙碳”國家重大應用需求的CO₂轉化為高附加值化學品，開發高效、低成本的催化劑具有重要意義，同時也面臨巨大挑戰。在各種CO₂的化學固定方法中，CO₂環加成反應具有100%碳利用率和巨大的經濟效益，其產物碳酸酯被廣泛用作二次電池的電解質、聚碳酸酯的前驅體和非質子極性溶劑，因而備受關注。例如，在氧化苯乙烯中插入CO₂，合成碳酸苯乙烯酯，同比價值提高了14700 倍。然而，苯基的空間位阻高，吸電子能力弱，使得此加成反應進行較困難；同時，此反應的自由基機理尚未達成一致。因此，亟需設計與制備一種能夠高效轉化氧化苯乙烯與CO₂的催化劑。

研究團隊采用兩步法將Ti單原子引入介孔氮、氧摻雜碳納米片(Ti-CNO)中以提高光熱催化CO2環加成性能。在6 h內，優化的13.3 Ti-CNO獲得了較高的碳酸苯乙烯酯產率(98.3%)，遠遠優于CN(27.1%)。此外，在連續10個循環中，它表現出顯著的穩定性。其催化性能的增強源于Ti的引入導致光熱效應的增強和豐富的介孔所暴露的更多Lewis酸/堿位點。此外團隊還闡明了CO₂環加成反應的自由基新機理，證明Lewis酸、堿位點分別將底物活化為氧化苯乙烯^?+和CO₂^??，這些關鍵自由基的產生在環加成過程中起到決定性作用。通過EPR直接觀測到中間產物氧化苯乙烯^?+，以及通過原位紅外光譜觀測到吸附的氧化苯乙烯，為這一新機理提供了有力支持。本研究為通過合成新穎的單原子催化劑用于光熱催化CO₂固定制備高價值化學品提供了一種策略。

圖1. Ti單原子催化劑光熱催化氧化苯乙烯與CO₂環加成反應性能

圖2. Ti單原子催化劑的形貌、成分及配位表征

圖3. 反應關鍵活性自由基的表征

圖4. Ti單原子催化劑催化環加成反應機理研究

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202404911

Single-Atom Titanium on Mesoporous Nitrogen, Oxygen-Doped Carbon for Efficient Photo-thermal Catalytic CO₂ Cycloaddition by a Radical Mechanism

Yifan Wang, Huimin Liu, Qiujin Shi, Zerui Miao, Haohong Duan, Yiou Wang, Hongpan Rong* and Jiatao Zhang*

附作者簡介：

王一凡，北京理工大學材料學院2021級碩士生，導師戎宏盼副教授，研究方向為鈦基單原子催化劑的合成及其光熱催化CO₂環加成反應性能研究，已在Angew. Chem. Int. Ed., ACS nano, Nano Res.上發表研究成果。

戎宏盼，北京理工大學材料學院長聘副教授，博士生導師，結構可控先進功能材料與綠色應用北京市重點實驗室成員。主要致力于納米、單原子材料的設計合成及在能源電催化領域的應用研究（包括H₂O、 CO₂、甲醇等小分子轉化）。主持國家自然基金青年項目，發表SCI收錄論文50余篇，包括Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., ACS Catal., ACS Nano, Nano Res.等。擔任國內外高水平期刊Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Matter, Chem. Eng. J., Nano Res., Sci. China Mater.等審稿人。

張加濤，北理工化學與化工學院院長，結構可控先進功能材料與綠色應用北京市重點實驗室主任，英國皇家化學會會士，國家優秀青年基金、國家級領軍人才。從事半導體納米材料合成化學、組裝及其光電新能源、生物醫學應用研究。第一作者或通訊作者在Nature，Science，Chem. Rev.，Nat. Nanotechnol.，Nat. Commun.，JACS，Chem，Angew. Chem.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.等國際頂級SCI學術期刊上發表論文100余篇，研究工作已被他人引用1萬余次。目前擔任中國材料研究學會納米材料與器件分會副理事長，中國化學會理事，中國化工學會化學工程專業委員會委員，中國化工學會智能制造專委會委員，中國金屬學會功能材料分會委員等職。Science合作期刊Energy Material Advances 期刊執行副主編，Nano Res.，PNS: MI，Rare Metals 3個SCI期刊編委。榮獲2019國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）新材料及合成杰出獎，中國材料學術聯盟IFAM2018青年科學家獎，2022/2023年愛思唯爾中國高被引學者，2023年科睿唯安高被引科學家等。