文章链接：https://doi.org/10.26599/NR.2026.94908540
孔道方向也能决定催化效率？这项研究揭示了单原子催化剂的新秘密
在催化科学中，“孔道结构” 一直是研究热点。但你有没有想过，孔道的方向是笔直通畅还是曲折错综也会显著影响催化性能？近期，郑州大学王立强团队发表于《Nano Research》的论文首次系统揭示了碳载单原子催化剂中孔道方向对加氢反应的深远影响。
单原子催化剂（SACs）因其原子级分散的活性位点和极高的原子利用率，被视为下一代高效催化材料。尤其是在加氢反应中，Co-N-C等非贵金属催化剂展现出替代铂族金属的潜力。然而，活性位点被埋没在微孔中、反应物难以接触，成为制约其性能的关键瓶颈。传统的优化策略多集中在孔体积、比表面积、孔径大小等方面，却忽视了孔道的方向性对传质效率的影响。
本研究提出：定向孔道能否提升反应物扩散效率，进而提高活性位点的利用率？ 答案是肯定的。
M-N-C催化剂（M = Fe, Co, Ni）因其独特的M-Nx配位结构，展现出优异的加氢性能。但许多M-Nx位点被“困”在碳层内部或微孔中，反应物难以到达，导致活性位点利用率低。已有研究表明，优化孔结构（如引入介孔、空心结构） 可改善传质，但对孔道方向的研究仍属空白。
对孔道取向进行合理控制，有望显著提升碳载单原子催化剂(SAC)中的质量传递效率，从而增加单原子位点的利用率并提升催化性能本文研究了在定向多孔碳(Co-SAC/OPC)和非定向多孔碳上负载的钴单原子催化剂(Co-SAC)/NO这些催化剂(PC)均采用硬模板法合成，并以对氯硝基苯(p-CNB)氢化反应为模型反应，对其在氢化反应中的性能进行了系统研究。实验(扩散、基于衬底尺寸的依赖性转化以及循环利用)以及有限元分析的结果表明，定向孔相较于非定向孔能更有效地促进p-CNB的扩散。这种更快的传递过程提高了单原子钻位点的可及性和利用率，从而显著提升了Co-SAC/OPC的加氢性能。
要研究孔道方向对催化的影响，首先需要解决两个难点：
1.精确控制孔道方向：如何在碳材料中分别构建“定向”和“非定向”孔道？
2.排除其他变量的干扰：两种催化剂的化学环境、Co配位结构、比表面积等 必须尽可能一致，才能单独考察孔道方向的影响。
本研究通过硬模板法巧妙解决了这一问题。
解决思路（创新点）：定向 vs 非定向，谁更胜一筹？
研究策略：
创新点：
图1 催化剂合成与表征。 （a）Co-SAC/OPC和（d）Co-SAC/NOPC 的TEM 图；（b）Co-SAC/OPC 和（e） Co-SAC/NOPC的HAADF-STEM图；（c）Co-SAC/OPC 和（f）Co-SAC/NOPC 的EDS图。
表征结果：两者“化学身份”几乎一致，差异只在孔道方向
为确保公平对比，研究团队对两种催化剂进行了系统表征：
结论：性能差异不是由化学结构引起，而是由孔道方向主导的传质效率决定。
图2 催化剂的孔结构表征: （a）Co-SAC/OPC和Co-SAC/NOPC的N2吸-脱附曲线；（b）Co-SAC/OPC 和 Co-SAC/NOPC的孔径分布曲线。
图3 催化剂的电子结构表征：Co-SAC/OPC的（a）Co 2p XPS和 （b）N 1s XPS谱图；Co-SAC/NOPC的（c） Co 2p XPS 和（d）N 1s XPS谱图；（e）Co-SAC /OPC, Co-SAC/NOPC, CoO, 和 Co foil的XANES谱图；（f）Co-SAC/OPC, Co-SAC/NOPC, CoO和 Co foil的傅里叶变化的EXAFS 谱图。
图4 孔曲线影响加氢性能机制研究：（a）催化剂的加氢性能比较；（b）针对不同底物Co-SAC/OPC和Co-SAC/NOPC的加氢性能；（c）Co-SAC/OPC 和Co-SAC/NOPC 对p-CNB的吸附性能; （d）Co-SAC/OPC 和Co-SAC/NOPC对p-CNB的脱附性能；（e）温度对Co-SAC/OPC 和（f） Co-SAC/NOPC 加氢性能的影响。
表 1 不同催化剂的在p-CNB加氢反应中的性能
实验验证：
吸附-脱附实验：定向孔道中p-CNB的吸附更快、脱附更彻底
底物尺寸依赖性：当分子尺寸 > 7.3 Å，非定向孔道催化性能急剧下降
循环稳定性：定向孔道催化剂更耐堵塞，再生更易
KIE同位素实验：两者H₂活化机制一致（均为异裂），排除了反应路径差异
COMSOL模拟：
核心结论：定向孔道 → 加速内扩散 → 提高活性位点时空利用率 → 增强催化性能
图5 有限元模拟： p‑CNB在 Model/OPC和Model/NOPC中的质量传递结果分析。
本研究首次系统证明了：
这一发现为高效加氢催化剂的设计提供了新思路：在追求高比表面积、合适孔体积的同时，别忘了让孔道“走对方向”。
第一作者：范阳阳，郑州大学材料科学与工程学院 直聘副研究员围绕关键金属超常规富集、分离纯化等方向，以第一作者/通讯作者发表论文10余篇；先后主持中国博士后科学基金面上项目、河南省高等学校重点科研项目、河南省自然科学基金等；参与国家自然科学基金-云南联合基金项目、国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金面上项目等，形成的技术成果“基于源头阻断的复杂闪锌矿富氧浸出的关键技术与装备”获中国有色金属工业科学技术一等奖；参与河南省重大专项、郑州市协同创新专项等项目。
通讯作者：王立强，郑州大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。2017年中南大学博士毕业后，进行了两年的博士后研究，并于2020年加入郑州大学。主要从事基于精细化学品的多相催化实验与理论计算研究，聚焦碳基催化剂的设计、构筑及应用；选择性加氢及脱氢反应等方面的过程控制、构效关系研究以及新路线开发。目前已在JACS., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., ACS Catal., J. Catal.等期刊发表论文70余篇，被引6000余次，获授权发明专利10件。先后承担国家自然科学基金重点项目、面上项目和青年项目等纵向课题以及河南省重大科技攻关、郑州市重大协同专项等横向课题。
期刊介绍：
期刊名称： Nano Research（中文名《纳米研究（英文）》）出版单位： 清华大学出版社 (Tsinghua University Press)，与Springer出版社联合出版JCR分区： Q1区。在“材料科学：综合”、“物理：应用”、“物理化学”等多个小类学科中均位列Q1区。
