甲酸被认为是一种安全便捷的氢源，但在温和条件下利用稳定固体催化剂实现其可控、高效的脱氢反应仍面临重大挑战。钯基催化剂因其优异的催化活性而受到广泛研究，目前普遍认为活性位点主要为Pd0，而Pd2+物种可能具备潜在促进作用，但其作用机制仍需深入系统研究。本研究创新性地将钯活性物种负载于生物质碳调控的富缺陷g-C3N4载体上，获得了极高的Pd2+/Pd0比例，并在非还原条件下实现高效产氢。结果表明，载体中吡啶氮与钯之间的强相互作用导致了高比例的Pd2+物种。结合原位漫反射红外光谱和密度泛函理论计算，研究发现HCOO*为关键中间体，主要采用双齿吸附模式结合于Pdn+位点。理论计算进一步表明，Pd0和Pdn+位点均可催化HCOO*发生C–H键断裂。Pd2+的高比例是该体系催化活性和选择性提升的关键因素。此外，载体丰富的缺陷位点有效抑制了活性钯物种的聚集，形成超细钯颗粒，进一步优化了锚定钯位点的电子环境，从而提升了催化性能。所制备的Pd/CN-nutshell 5:1催化剂的TOF高达5758 h-1，显著优于多数文献报道结果。
核桃壳掺杂Pd/CN系列催化剂催化甲酸分解制氢的机理示意图
该研究结果近期以“Biomass‐Engineered Defect‐Rich g‐C3N4 Anchors Pd2+‐Rich Ultrafine Particles for Highly Efficient Formic Acid Dehydrogenation”为题，发表于材料化学领域一区期刊《稀有金属》（Rare Metals）。该论文第一作者为我院卫帅副教授，刘园园博士为共同第一作者，王鹏副教授与谭文轶教授为通讯作者。《稀有金属》作为国产期刊中的佼佼者，是材料化学领域的顶级期刊之一，最新影响因子为12.1。该成果的发表，标志着我院在甲酸分解制氢方向的研究工作获得了国内外同行的认可。
文章链接：https://doi.org/10.1002/rar2.70268