协同非键合双原子铂位点用于高效硝基化合物加氢反应

将“粗暴”的化学转变为温和反应

化工厂通过有针对性地向复杂分子的特定部位添氢，制造出无数有用产品。做到干净且选择性高可以节省能量、减少废物并降低成本，但这实际上很难：同样加速所需反应的金属颗粒常常也会触发不想要的副反应。本研究展示了如何在碳载体上将贵金属原子成对排列，从而为重要的工业前体提供快速、温和且高度选择性的催化化学。

为何该反应对日常材料至关重要

本工作关注的一个关键目标是间苯二胺，这是制造高性能塑料、耐热纤维、染料以及某些药物的起始原料。它通常由另一个化合物——间二硝基苯的加氢制得。该转化分几步完成，在第一个硝基被还原后，分子的电子结构和构型发生变化，使得第二步变得更困难。同时，许多副产物可能形成并粘附在催化剂表面，阻塞催化位点并增加额外的分离成本。工业长期以来依赖铂基催化剂来完成这项工作，但传统颗粒浪费大量贵金属，且仍难以兼顾高速度、高选择性和长寿命。

将铂原子精确放置为合适的“对”

研究人员通过设计一种新型催化剂解决了这一问题，在由纳米金刚石包覆一层薄石墨烯的微小碳载体上主要使铂原子成紧密成对分布。利用一种称为原子层沉积的精密技术，他们首先在石墨烯壳层的缺陷位点固定单个铂原子，然后在第二步沉积额外的铂，使得相邻的配对原子以约0.4纳米的受控距离被捕获。先进的电子显微镜和X射线测量证实，在该间距下，两原子并未形成普通的金属-金属键，但它们通过碳网络在电子上相互联系，形成作者称之为非键合双原子位点的结构。

为何成对原子胜过单原子和簇

为理解该构型为何表现优异，团队在相同的纳米金刚石-石墨烯载体上比较了四类铂：孤立的单原子、新型的双原子对、小簇和较大的纳米粒子。在加氢测试中，只有双原子催化剂在温和条件下实现了间二硝基苯向间苯二胺的完全转化且选择性超过99%，并在至少五个反应循环中保持该性能。单原子催化剂虽然对金属的利用率高，但难以裂解氢并完成整个多步反应；簇和纳米粒子活性很强，但对产物和中间体的吸附过强，促进了不希望的偶联反应，生成沉重的副产物。

观察分子如何反应并模拟它们的过程

作者结合原位红外光谱与详尽的计算模拟，观察分子如何与不同铂构型相互作用。在单原子位点上，反应物的硝基可以吸附，但氢不易裂解，导致反应停滞。在铂成对位点上，一个原子主要抓持带硝基的分子，而相邻的原子则可用于捕获并裂解氢，从而实现两者并列活化。重要的是，两原子间的电子相互作用恰好削弱了对最终二胺产物的结合，使其能够及时脱离表面。相比之下，在簇和扩展金属表面上，反应物和产物往往平躺并强烈吸附，导致表面拥挤并促成通过氮-氮偶联形成复杂副产物。

从单一反应走向广泛催化策略

除了这项工业反应以外，铂双原子催化剂表现出多用途性，能在温和条件下快速且选择性地加氢一系列含硝基的芳香分子，包括制造聚氨酯泡沫的关键前体，且可重复使用性良好。该工作表明，精确间距的金属原子成对排列可以弥合高度分散的单原子催化剂与更传统金属颗粒之间的差距，既高效利用贵金属又实现精细调控的反应性。对非专业读者来说，主要结论是：我们在表面上如何排列原子会显著改变化学反应的清洁度和效率，为更环保、更经济地生产多种日常材料提供了一条可行路径。

引用: Chen, M., Jing, Y., Ge, X. et al. Synergistic non-bonding diatomic Pt sites for efficient hydrogenation of nitro compounds. Nat Commun 17, 3199 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69701-9

关键词: 选择性加氢, 硝基芳烃, 双原子催化剂, 铂催化, 纳米金刚石石墨烯