近日，东北大学理学院付昱教授团队和南京工业大学霍峰蔚教授团队以“Water-assisted hydrogen spillover in Pt nanoparticle-based metal-organic framework composites（铂纳米颗粒基金属有机骨架复合物中的水辅助氢溢流）”为题，在《自然・通讯》（Nature Communications）上发表论文。理学院博士生谷志达为论文的第一作者，东北大学为论文第一作者单位。该项研究成果进一步促进了理学院在多孔晶体材料领域的进展，为研究团队开拓了氢溢流现象研究领域。
在氢化反应中，氢气在贵金属活性中心裂解为活性氢原子后迁移到载体材料上，并在载体材料上继续迁移的现象被称为氢溢流现象。氢溢流现象意味着在载体上创造了新的氢化活性位点，具有提高催化剂的活性，选择性和稳定性的潜力。在众多的催化载体材料中，金属有机骨架（MOFs）材料因具有密度轻，比表面积大，丰富而规则的孔道结构等特点受到了研究者们的广泛关注。然而，MOFs材料的氢溢流现象存在着难以表征，溢流效果差，机制不清等问题，限制了氢溢流现象在MOF基催化剂中的理论研究和催化应用。
基于这些问题，付昱教授团队开发了一种通过配体加氢和结构转化为检测器，检验MOF-801中的氢溢流现象的研究模型（图1a）。团队发现向氢气热处理下的Pt@MOF-801结构中引入微量水分子会产生明显的结晶性下降（图1b），比表面积值降低（图1c），耗氢量提高（图1d）和配体转化率提高（图1e）等现象，证明了水分子的引入可以明显提升MOF-801中的氢溢流效应。通过配体转化的模型计算，在氢气常压200 ℃的条件下，增强后的氢溢流现象可以覆盖直径约100 nm的区域。同位素示踪法表明溢流的活性氢来源于氢气而非水分子，证明了水分子在氢溢流过程中的辅助促进作用。理论计算结果发现孔道中的水分子簇构筑了一条能垒更低的活性氢迁移路径（图1f），在与配体溢流路径的共同作用下提高了活性氢迁移效率（图1g）。此外，这种水分子辅助的氢溢流增强策略还被证明可以应用在如UiO-66，UiO-67，ZIF-8，ZIF-67，HKUST-1，Fe-MIL-53等多种MOFs结构和TAPT-DHTA和TaPa-1等多种共价有机骨架（COFs）材料中，显示出该策略强大的普适性。更重要的是，实验证明该策略增强的氢溢流效应可以提升催化反应效率，提高催化剂的稳定性，实现了MOF基催化剂中氢溢流效应的首次催化应用（图1h）。
此项研究方法为多孔晶体材料的氢溢流效应研究提供了新思路。研究发现为未来的高活性、高稳定性、高选择性、环境友好的多孔晶体催化剂材料的设计和研发提供了新的研究方向。
