[Angew. Chem.] C60负载的钒单原子催化剂用于水分解

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寻找可再生和环境友好的化石燃料替代品是目前全球面临的重大挑战，是实现碳达峰、碳中和，从而减缓全球变暖、实现绿色地球的必然要求，这激发研究人员一直努力开发高效能源转换与储存技术。氢气作为一种方便、安全且用途广泛的能源载体，可在不排放温室气体和污染物的情况下转化为所需的能源形式。其中，水分解是氢气的重要来源；详细阐明用于水分解制氢的负载型金属催化剂的催化机理，对设计高效和高稳定的新型催化剂至关重要。近年来，单原子催化剂的发展为设计新型用于水分解的催化剂提供了新的机遇。最近，我们利用富勒烯负载的钒(V)金属单原子作为碳基载体金属单原子催化剂的模型，细致研究了钒单原子催化水分解制氢的机理。

实验采用激光溅射方法产生了C60V+复合物及其与水分子反应的预反应复合物C60V+(H2O)及终产物C60VO+，并利用飞行时间质谱和红外多光子解离光谱对其进行了红外谱学表征。研究发现，在红外光激发驱动下该制氢反应表现出有趣的振动模式依赖性，为选择特定波长的光做激发光源提供了有益指导。结合密度泛函理论计算，我们确定了它们的结构，并探讨C60V+分解水制氢的详细反应路径，发现了显著的载体效应。与没有C60的孤立钒原子分解水制氢相比，C60载体的存在使得V+分解水的反应能垒大大降低(70kJ/mol)。通过电荷布局和分子轨道分析，发现反应能垒的降低是由于从C60载体到金属钒的电荷转移及水分子中发生转移氢原子与金属中心和C60负载中碳原子的重叠起到了稳定反应过渡态的作用；反应中，C60负载可作为水裂解制氢过程中的“shuttle/摆渡车”帮助氢原子转移和氢气形成。本工作揭示了碳基载体在催化水分解反应中的重要作用，有助于帮助人们理解多孔碳材料基单原子催化剂的催化性能。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202112398