第一作者：黃凱、張樂、徐婷
通訊作者：伍暉、劉利民、張瀟源、葛炳輝
通訊單位：清華大學、北京航空航天大學、安徽大學
研究亮點：
1. 創造性地在?60 °C低溫下通過溶液法合成了原子級分散鈷基催化劑。
2. 制備策略具有良好的普適性，可有效調控溶液形核過程的熱力學和動力學。
3. 所制備的催化劑具有高活性、高穩定性和高器件功率輸出。
原子級分散催化劑的優勢
由于活性組分的高度分散、金屬利用效率的大幅度提升以及活性中心與相鄰配位原子相互作用，單原子催化劑或原子級分散金屬催化劑在諸如CO氧化反應、有機加氫反應和氧還原反應等過程中表現出優異的活性、穩定性和選擇性。因此，單原子催化劑或原子級分散金屬催化劑的有效合成及應用，是近年來催化和材料研究領域非常重要的研究方向。
溶液合成原子級分散催化劑的難點
溶液合成作為制備金屬及其化合物等固體材料的制備方法，具體過程一般均涉及到原子級分散金屬基團的快速產生、聚集、形核與生長，從而嚴重限制了溶液中超細納米晶體甚至于原子級分散金屬的形成。因此，如何有效調控形核過程對于溶液合成原子級分散金屬催化劑就顯得尤為重要且頗具挑戰性。
成果簡介
有鑒于此，清華大學伍暉課題組聯合北航劉利民課題組、清華大學張瀟源課題組和安徽大學葛炳輝課題組，創造性地在溶液體系中將反應溫度降低至-60攝氏度，解決了溶液合成過程中的原子快速團聚、形核和生長的關鍵問題，獲得了具有高活性、高穩定性和高器件功率輸出的原子級分散金屬鈷基的氧還原電催化劑，為大規模溶液合成原子級分散金屬催化劑提供了嶄新的研究思路。
圖1 零下六十攝氏度和室溫溶液合成中形核調控的對比示意圖
要點1：制備要素
1. 以水/乙醇作為溶劑，在-60°C條件下不會結冰凍住。
2. 以水合肼作為還原劑。
3. 適合于Co、Pt、Fe、Ag等多種金屬。
4. 在-30至60℃則會不同程度地形成較多團簇或納米顆粒。
要點2：制備原理
與傳統的微流控工程、表面活性劑調控以及模板法等研究策略不同，研究團隊利用低溫溶液環境中顯著提高合成產物的形核勢壘，降低產物形核動力學速率，實現了溶液合成策略中金屬原子形核過程的動力學和熱力學調控，提出了一種更加基礎和通用的低溫溶液合成穩定的原子級分散金屬催化劑的策略 (圖1)。
要點3：優異的電化學性能
低溫溶液合成并經高溫活化穩定的原子級分散金屬鈷基催化劑與傳統團簇/納米顆粒催化劑和商業Pt/C相比，在中性(0.05 M PBS磷酸緩沖液)和堿性(0.1M KOH)的電解液環境中，都表現出顯著提高的氧還原催化活性和穩定性。進一步在微生物燃料電池器件應用中，也表現出了遠超前期文獻報道的功率密度(2550 ± 60 mW m-2)和長達820小時的穩定運行(圖2)，能夠同時實現污水處理與高性能產電。
圖2 原子級分散金屬催化劑的微生物燃料電池性能
小結
總之，作者成功在?60 °C下通過液相法合成了高性能原子級分散金屬鈷催化劑。該低溫溶液合成不僅提出了一種在濕化學合成反應過程中抑制產物形核生長的通用方法，更為進一步理解溶液反應的形核熱力學和動力學、并利用傳統溶液化學方法制備高性能催化材料提供了新的可行性。
參考文獻：
Huang K, ZhangL, Xu T, et al. ?60 °C solution synthesis of atomically dispersed cobalt electrocatalyst with superiorperformance. Nature Communications, 2019.
DOI:10.1038/s41467-019-08484-8
https://www.nature.com/articles/s41467-019-08484-8#article-info
