研究背景
在眾多催化劑中，單原子催化劑（SACs）因其優異的催化性能和高原子利用率而成為研究的熱點。SACs由原子級分散的金屬構成，通常以氮摻雜碳材料作為載體，具有完全暴露的活性位點和可調的局部配位環境，這使得它們在電催化、化學反應和能源轉化等領域展現出巨大的應用潛力。然而，現有的SACs合成方法在實現高金屬負載方面存在顯著挑戰。許多傳統的合成策略，如熱解法，通常導致金屬原子的聚集和形成納米顆粒，限制了催化劑的有效性。特別是在金屬負載量超過10 wt%時，金屬原子往往容易重新聚集成簇或大納米顆粒，從而降低活性位點的密度。這一問題直接影響了SACs在實際應用中的表現，特別是在電化學能量轉換和儲存裝置中，低金屬負載會導致較差的質量傳遞和能量效率。為了解決這一問題，鄭州大學盧思宇&加州大學洛杉磯分校段鑲鋒等人合作探索了多種策略來提高金屬原子的穩定性和分散性。近期的相關成果在“Nature Synthesis”期刊上發表了題為“Synthesis of ultrahigh-metal-density single-atom catalysts via metal sulfide-mediated atomic trapping”的最新論文。本研究提出了一種超高氮摻雜輔助的MxSy納米顆粒到單原子轉化的新策略，成功解決了高金屬負載的合成問題。通過調節氮摻雜的濃度，作者實現了高達33.4 wt%的金屬負載，避免了聚集現象。這一合成機制不僅適用于多種金屬元素，還能有效地擴展到高熵SACs的制備。作者的研究表明，這種動態原子化轉化過程是熱力學上有利的，釋放的金屬原子在載體中形成穩定的M–N4–C結構。最終，所制備的UHDNi–N–C SACs在氧氣演化反應中展現了卓越的催化活性，驗證了這一策略的有效性。
科學亮點
（1）本研究首次提出了超高氮摻雜輔助的MxSy納米顆粒到單原子的轉化策略，成功合成了高金屬負載的單原子催化劑（SACs），解決了SAC合成中的關鍵挑戰。該方法不僅有效避免了金屬聚集現象，還實現了金屬負載量超過20 wt%的多個SACs樣品。（2）實驗通過將碳點、硫脲、尿素和金屬氯化物的優化混合物加熱至600°C，在氮氣氛圍中生成支持在超高氮摻雜碳晶格上的金屬硫化物納米顆粒。加熱至600–700°C時，金屬硫化物的熱分解過程被直接觀察到，釋放的金屬原子被氮摻雜碳載體捕獲，形成熱力學穩定的M–N4–C結構。（3）研究表明，氮摻雜的超高濃度是實現超高密度（UHD）M–N–C SACs的必要條件。通過此策略，作者合成了23種UHDM–N–C SACs，金屬負載量超過10 wt%，其中17種元素的負載量超過20 wt%，稀土金屬和貴金屬鉑的負載量超過30 wt%。（4）該方法還適用于制備高熵UHD SACs，五元和六元SACs的金屬負載量分別達到25.0 wt%和18.1 wt%。作為應用證明，UHDNi–N–C SACs在氧氣演化反應中展現出優異的催化性能，?j100僅為309 mV，Tafel斜率為56.8 mV/dec，顯示出良好的耐久性。
圖文解讀
圖1：設計和可控制備具有超高負載量孤立金屬原子的SACs的示意圖。
總結展望
傳統的SAC合成方法往往受到低金屬負載量的限制，導致催化性能不足。而本研究首次提出的超高氮摻雜輔助的MxSy納米顆粒到單原子的轉化策略，突破了這一瓶頸，展示了高金屬負載量（>10 wt%）的合成潛力。這一成果強調了氮摻雜對金屬原子捕獲和穩定的重要性，揭示了氮摻雜碳載體在催化劑設計中的關鍵作用。此外，研究結果表明，通過調控載體的氮摻雜濃度，可以顯著改善金屬原子的遷移路徑，促進其在合成過程中原子化，從而形成熱力學上穩定的M–N4–C結構。這一發現為未來的催化劑設計提供了新的思路，強調了材料的化學環境對催化性能的影響。值得注意的是，所制備的UHDNi–N–C SACs在氧氣演化反應中的優異性能，驗證了該方法在實際應用中的有效性。這不僅為能源轉換技術提供了新的催化劑選擇，也為實現更高效的催化反應提供了重要的理論基礎。
原文詳情：
Chang, J., Jing, W., Yong, X. et al. Synthesis of ultrahigh-metal-density single-atom catalysts via metal sulfide-mediated atomic trapping. Nat. Synth (2024).
https://doi.org/10.1038/s44160-024-00607-4
