​这篇Nano Research，手把手教你做一锅单原子催化剂！

2021-04-24

背景介绍

催化剂在化学工业和环境修复方面被广泛应用，随着煤、石油、天然气等不可再生资源的日益枯竭和人们对生活环境要求的提高，开发高效催化剂显得尤其重要。金属纳米催化剂由于其表面效应和量子尺寸效应展现出不同于传统催化剂的活性、稳定性和选择性，极大的推动了纳米科学和工业应用的发展。

不断缩小金属纳米颗粒的尺寸为团簇，亚纳米团簇，甚至是分散成单个原子，金属原子的利用率将不断增加，尤其是缩小至单个原子后，其金属利用效率可达100%，活性中心由多个逐渐演变成一个，可能会提高反应物的选择性和原子经济性。此外，随着粒径的不断减小，表面能不断增加，暴露出更多不饱和金属配位点，可导致催化剂与吸附物的化学反应活性增强。

合成高效催化剂为能源的高效转化和污染物的有效处理带来了希望，而单原子催化剂是有希望的候选者。经过这些年的发展，已经出现了很多合成单原子催化剂的方法。

成果简介

北京理工大学材料学院能源催化研究所的陈卓教授和陈文星教授全面总结了原子扩散策略，它被认为是制备一系列单原子催化剂(SACs)的有效方法。根据前驱体的不同扩散形式，作者从气体扩散，固体扩散和液体扩散三个方面综述了SACs的各种合成方法。

1）气相扩散法主要讨论原子层沉积(ALD)和化学气相沉积(CVD)，两者在高温下进行气相传质。

2）固态扩散法可分为纳米粒子转变为单个原子和固体原子迁移。

3）液体扩散主要描述电化学法和熔盐法。

图1. 原子扩散策略制备单原子催化剂的合成方法示意图，主要从前驱体以气体、固体和液态形式扩散这三个方面进行总结。

图2. ALD法制备单原子催化剂和双金属催化剂。

图3. CVD法制备单原子催化剂，用XAFS进行结构表征。

图4. 金属纳米颗粒在热处理下转变成单个金属原子。

图5. 负载在载体上的金属纳米颗粒在热处理下产生烧结和雾化，随后原位分散成单个金属原子。

图6. 碳纳米管上的纳米颗粒经过不同温度的热处理转变成单原子。

图7. 固态原子迁移制备单原子催化剂。

图8. 在三电极体系下采用电化学法制备Pt单原子催化剂。

图9. 电化学法制备单原子催化剂。

图10. 利用表面限制反应自动终止Pt原子的连续生长，制备出单原子催化剂。

图11. 融盐法制备Ni单原子助催化剂。

参考文献

https://doi.org/10.1007/s12227-021-3412-9

作者简介

北京理工大学材料学院陈卓教授目前主要研究光能-化学能转化（绿色催化、光催化、光电催化分解水、二氧化碳还原等）、电能-化学能转化、纳米结构材料、材料表征、纳米材料合成、薄膜与纳米技术、纳米科学、纳米加工、纳米电子学、纳米晶体等。在 J. Am. Chem. Soc., ACS Nano, Chem. Mater., Small, J. Mater. Chem. A等国际学术期刊上发表论文40余篇。并担任Nat. Commun.、 JACS、Chem. Mater.、Small、JPCL、JPCC等国际期刊审稿人。

陈文星教授于2018年受聘于北京理工大学材料学院，目前主要在单原子催化剂的原子级可控合成、局域结构表征与催化性能分析方面从事研究，并运用基于同步辐射大科学装置的原位测试技术对相关反应机理进行探索。以“同步辐射-单原子催化”为核心，在“碳基金属单原子催化剂界面调控合成”领域取得了一系列创新性成果。已发表文章140余篇，SCI总引用9600余次，H指数52，40余篇入选ESI前1%高被引论文。入选科睿唯安2020年“全球高被引科学家“榜单。以通讯作者/第一作者（含共同）在Nat. Catal. (1), Nat. Commun. (3), Angew. Chem. Int. Ed.(4), J. Am. Chem. Soc. (5), Adv. Mater. (5), Energy Environ. Sci. (3)等期刊发表论文40余篇。