孙学良团队：高稳定性的Pt单原子催化剂！

       如何提高催化剂利用率，是资源稀缺、价格高昂贵的贵金属催化剂制备的关键问题。单原子催化剂由于充分利用了每个原子，被认为是催化活性和利用率最高的催化剂。然而单原子具有很高的表面能，非常不稳定，容易团聚长大成大颗粒，从而降低了催化剂的效率，同时也限制了单原子催化剂的广泛应用。

因此，非常有必要开发高活性、高稳定性和高载量的单原子分散催化剂。

       有鉴于此，加拿大西安大略大学孙学良团队联合麦克马斯特大学国家电子显微镜中心的Gianluigi Botton 教授, 西安大略大学同步辐射专家 T.K. Sham 教授和北京计算科学研究中心的刘利民研究员，利用原子层沉积（ALD）技术成功制备了高稳定性、高活性的氮掺杂石墨烯（N-graphene）负载的Pt单原子催化剂。

图 1. ALD制备的Pt单原子催化剂

       这种N-graphene 负载的Pt单原子催化剂在析氢反应（hydrogen evolution reaction， HER）中的活性是常规Pt纳米颗粒的37倍，表明了单原子催化剂可以极大地提高贵金属催化剂的利用率，降低催化剂的成本。

       耐久性测试发现，N-graphene 负载的Pt单原子催化剂经过1000圈加速老化后，性能只下降了4%，而商业化的Pt/C催化剂却下降了19%。

图 2. Pt单原子催化剂HER性能及耐久性

       结合同步辐射、球差矫正高分辨率透射电子显微镜和密度泛函理论(DFT)计算， 研究人员不仅阐述了N-graphene稳定单原子机理，而且揭示了单原子为什么具有优越的催化性能：氮掺杂增强了Pt和载体之间的相互作用力，可以将Pt原子非常稳定地“铆”在氮掺杂石墨烯表面上，使得原子级分散的Pt在析氢反应过程能够保持稳定而不团聚。原子级别的Pt和Pt原子独特的电子结构（部分未占据5d轨道态密度）导致了单原子Pt具有优越的催化性能。

图 3. Pt单原子同步辐射和密度泛函理论 (DFT) 计算

总之，这项工作不仅展示了单原子分散催化剂的优越活性和在基础研究中的重要作用，还为人们如何设计具有高稳定性、高活性的单原子催化剂提供了新的思路。

本文主要参考以上所列资料，图片仅用于对相关科学作品的介绍、评论以及课堂教学或科学研究，不得作为商业用途。如有任何版权问题，请随时与我们联系！