背景介紹
催化劑在化學工業(yè)和環(huán)境修復方面被廣泛應用，隨著煤、石油、天然氣等不可再生資源的日益枯竭和人們對生活環(huán)境要求的提高，開發(fā)高效催化劑顯得尤其重要。金屬納米催化劑由于其表面效應和量子尺寸效應展現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)催化劑的活性、穩(wěn)定性和選擇性，極大的推動了納米科學和工業(yè)應用的發(fā)展。
不斷縮小金屬納米顆粒的尺寸為團簇，亞納米團簇，甚至是分散成單個原子，金屬原子的利用率將不斷增加，尤其是縮小至單個原子后，其金屬利用效率可達100%，活性中心由多個逐漸演變成一個，可能會提高反應物的選擇性和原子經(jīng)濟性。此外，隨著粒徑的不斷減小，表面能不斷增加，暴露出更多不飽和金屬配位點，可導致催化劑與吸附物的化學反應活性增強。
合成高效催化劑為能源的高效轉化和污染物的有效處理帶來了希望，而單原子催化劑是有希望的候選者。經(jīng)過這些年的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了很多合成單原子催化劑的方法。
成果簡介
北京理工大學材料學院能源催化研究所的陳卓教授和陳文星教授全面總結了原子擴散策略，它被認為是制備一系列單原子催化劑(SACs)的有效方法。根據(jù)前驅體的不同擴散形式，作者從氣體擴散，固體擴散和液體擴散三個方面綜述了SACs的各種合成方法。
1）氣相擴散法主要討論原子層沉積(ALD)和化學氣相沉積(CVD)，兩者在高溫下進行氣相傳質。
2）固態(tài)擴散法可分為納米粒子轉變?yōu)閱蝹€原子和固體原子遷移。
3）液體擴散主要描述電化學法和熔鹽法。
圖1. 原子擴散策略制備單原子催化劑的合成方法示意圖，主要從前驅體以氣體、固體和液態(tài)形式擴散這三個方面進行總結。
圖2. ALD法制備單原子催化劑和雙金屬催化劑。
圖3. CVD法制備單原子催化劑，用XAFS進行結構表征。
圖4. 金屬納米顆粒在熱處理下轉變成單個金屬原子。
圖5. 負載在載體上的金屬納米顆粒在熱處理下產(chǎn)生燒結和霧化，隨后原位分散成單個金屬原子。
圖6. 碳納米管上的納米顆粒經(jīng)過不同溫度的熱處理轉變成單原子。
圖7. 固態(tài)原子遷移制備單原子催化劑。
圖8. 在三電極體系下采用電化學法制備Pt單原子催化劑。
圖9. 電化學法制備單原子催化劑。
圖10. 利用表面限制反應自動終止Pt原子的連續(xù)生長，制備出單原子催化劑。
圖11. 融鹽法制備Ni單原子助催化劑。
參考文獻
https://doi.org/10.1007/s12227-021-3412-9
作者簡介
北京理工大學材料學院陳卓教授目前主要研究光能-化學能轉化（綠色催化、光催化、光電催化分解水、二氧化碳還原等）、電能-化學能轉化、納米結構材料、材料表征、納米材料合成、薄膜與納米技術、納米科學、納米加工、納米電子學、納米晶體等。在 J. Am. Chem. Soc., ACS Nano, Chem. Mater., Small, J. Mater. Chem. A等國際學術期刊上發(fā)表論文40余篇。并擔任Nat. Commun.、 JACS、Chem. Mater.、Small、JPCL、JPCC等國際期刊審稿人。
陳文星教授于2018年受聘于北京理工大學材料學院，目前主要在單原子催化劑的原子級可控合成、局域結構表征與催化性能分析方面從事研究，并運用基于同步輻射大科學裝置的原位測試技術對相關反應機理進行探索。以“同步輻射-單原子催化”為核心，在“碳基金屬單原子催化劑界面調控合成”領域取得了一系列創(chuàng)新性成果。已發(fā)表文章140余篇，SCI總引用9600余次，H指數(shù)52，40余篇入選ESI前1%高被引論文。入選科睿唯安2020年“全球高被引科學家“榜單。以通訊作者/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)等期刊發(fā)表論文40余篇。
