近日，東北大學理學院付昱教授團隊和南京工業大學霍峰蔚教授團隊以“Water-assisted hydrogen spillover in Pt nanoparticle-based metal-organic framework composites（鉑納米顆?；饘儆袡C骨架復合物中的水輔助氫溢流）”為題，在《Nature》出版集團旗下子刊Nature Communications《自然?通訊》上發表論文。理學院博士生谷志達為論文的第一作者，東北大學為論文第一作者單位。該項研究成果進一步促進了理學院在多孔晶體材料領域的進展，為研究團隊開拓了氫溢流現象研究領域。
在氫化反應中，氫氣在貴金屬活性中心裂解為活性氫原子后遷移到載體材料上，并在載體材料上繼續遷移的現象被稱為氫溢流現象。氫溢流現象意味著在載體上創造了新的氫化活性位點，具有提高催化劑的活性，選擇性和穩定性的潛力。在眾多的催化載體材料中，金屬有機骨架（MOFs）材料因具有密度輕，比表面積大，豐富而規則的孔道結構等特點受到了研究者們的廣泛關注。然而，MOFs材料的氫溢流現象存在著難以表征，溢流效果差，機制不清等問題，限制了氫溢流現象在MOF基催化劑中的理論研究和催化應用。
基于這些問題，付昱教授團隊開發了一種通過配體加氫和結構轉化為檢測器，檢驗MOF-801中的氫溢流現象的研究模型（圖1a）。團隊發現向氫氣熱處理下的Pt@MOF-801結構中引入微量水分子會產生明顯的結晶性下降（圖1b），比表面積值降低（圖1c），耗氫量提高（圖1d）和配體轉化率提高（圖1e）等現象，證明了水分子的引入可以明顯提升MOF-801中的氫溢流效應。通過配體轉化的模型計算，在氫氣常壓200 ℃的條件下，增強后的氫溢流現象可以覆蓋直徑約100 nm的區域。同位素示蹤法表明溢流的活性氫來源于氫氣而非水分子，證明了水分子在氫溢流過程中的輔助促進作用。理論計算結果發現孔道中的水分子簇構筑了一條能壘更低的活性氫遷移路徑（圖1f），在與配體溢流路徑的共同作用下提高了活性氫遷移效率（圖1g）。此外，這種水分子輔助的氫溢流增強策略還被證明可以應用在如UiO-66，UiO-67，ZIF-8，ZIF-67，HKUST-1，Fe-MIL-53等多種MOFs結構和TAPT-DHTA和TaPa-1等多種共價有機骨架（COFs）材料中，顯示出該策略強大的普適性。更重要的是，實驗證明該策略增強的氫溢流效應可以提升催化反應效率，提高催化劑的穩定性，實現了MOF基催化劑中氫溢流效應的首次催化應用（圖1h）。
此項研究方法為多孔晶體材料的氫溢流效應研究提供了新思路。研究發現為未來的高活性、高穩定性、高選擇性、環境友好的多孔晶體催化劑材料的設計和研發提供了新的研究方向。（作者：付昱 編輯：劉穎慧 周洛琦）
