金属-氮-碳（M−N−C）单原子催化剂（SACs）对许多重要的化学反应表现出优异的催化活性。但是，由于在当前的M−N−C SACs中缺乏精准原子结构的控制，因此对其本征催化活性机理尚不明确。

有鉴于此，澳大利亚悉尼大学陈元教授，Li Wei，美国得克萨斯大学奥斯汀分校Graeme Henkelman报道了准确揭示了M−N−C SACs中各种金属中心对H₂O₂合成的本征电催化活性，M−N−C SACs由二维共价有机骨架（COF）的模型催化剂（COF-366-M）制备。

文章要点

1）共轭卟啉基COF（COF-366）是一种周期性重复结构的配位二维聚合物晶体。其丰富的卟啉结构可容纳多种3d过渡金属或具有相同化学结构的贵金属。此外，其共轭聚合物骨架提供了足够的电子传递能力，而不需要添加碳材料衬底，而2D多孔纳米片状结构则能够实现有效的传质。

2）实验研究表明，在三种pH值不同的电解质中，Co金属中心在3d过渡金属（包括Mn，Fe，Co，Ni，Cu和Zn）中具有最高的活性。密度泛函理论（DFT）计算结果显示， O₂*和HOOH*中间体（E_O2*-E_HOOH*）在单个金属中心之间的结合能差可以用来预测这些金属中心（包括10个3d过渡金属和8个贵金属）在COF-366-M中的本征催化活性。实验结果进一步证实了COF-366-Ir作为高活性催化剂的DFT预测。

研究工作提出了一类结构精准的模型催化剂，阐明了M−N−C SACs金属中心在H₂O₂合成中的催化机理，可进一步推广到其他反应。

参考文献

Chang Liu, et al, Intrinsic Activity of Metal Centers in Metal−Nitrogen−Carbon Single-Atom Catalysts for Hydrogen Peroxide Synthesis, J. Am. Chem. Soc, 2020

DOI: 10.1021/jacs.0c10636

https://dx.doi.org/10.1021/jacs.0c10636