硝基芳烃催化加氢反应是生产芳香胺的重要工业反应，在合成各种化学品的中间体中起着重要作用。其中一个常用的工序是将二硝基甲苯(2,4-DNT)加氢制成2,4-甲苯二胺(2,4-DAT)，所需的2,4-DAT产品是一种增值中间体。对于2,4-DNT的加氢反应，两个硝基的存在需要一个多步骤和多电子的加氢途径，同时第一硝基向胺基的转化阻碍了第二硝基的进一步加氢反应。因此，2,4-DNT的化学选择性加氢仍然是一个挑战。负载型Pt基金属催化剂以其良好的催化活性被广泛应用于硝基芳烃的加氢反应。但是，Pt基材料不仅成本高、相对稀缺，而且活性低、原子效率低。因此，开发高活性、高选择性、高金属利用率、低成本的多步加氢反应催化剂迫在眉睫。
近日，中国科学院金属研究所刘洪阳、刁江勇和北京大学马丁等在纳米金刚石@石墨烯(ND@G)上制备了完全暴露的Pt簇催化剂(Ptn/ND@G)，用于选择性2,4-DNT的多步加氢反应。实验结果表证明，Ptn/ND@G催化剂上2,4-DNT的转化率高达100%，转换频率(TOF)为40647 s−1，反应两小时后对2,4-DAT的选择性大于99%。此外，Ptn/ND@G可以在低转化率下进行5个循环而不会发生活性损失，且反应后材料的形貌未发生明显变化，金属离子也未浸出，表明其在反应过程中具有突出的结构稳定性。理论计算和原位光谱表征结果显示，完全暴露的Pt团簇可以同时吸附2,4-DNT底物和H2，从而提高催化活性；同时，在反应过程中，Ptn/ND@G上多个活性中心之间的协同作用优化了中间体和产物的吸附能力，阻止了它们在活性中心的积累，促进了多步加氢反应的进行。总的来说，该项工作突出了利用独特的完全暴露簇催化剂在温和条件下促进二硝基芳烃高效多步加氢反应的优点，同时也为合理设计用于多步加氢反应的高活性和选择性加氢催化剂铺平了道路。Fully exposed Pt clusters for efficient catalysis of multi-step hydrogenation reactions. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-49083-6
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