能源转化中的单原子催化

进入二十世纪以来，全球对能源需求量的快速增长极大地促进了多种能源体系的开发、利用以及转化。全球约四分之一的能源消耗过程直接或间接与催化反应相关。与传统纳米催化剂相比，单原子催化剂中的活性组分几乎完全暴露于载体表面，具有接近100%的原子利用率；同时活性中心低配位不饱和状态、独特的电子结构，和金属载体间强的相互作用能够极大地提高活性位点的本征活性。

图1. 单原子催化剂在能源催化转化领域的应用

近日，新加坡国立大学研究团队系统地总结了单原子催化剂在能源催化转化领域的最近研究进展，重点评述了单原子催化剂在碳氢化合物、含氧化合物、氢能源、合成氨工业、精细化工品合成以及电池等领域的应用，讨论了单原子催化剂的结构特征与催化性能的构效关系；同时比较了单原子催化剂与传统纳米催化在具体催化反应（如选择性加氢、水汽转化、丙烷脱氢等）中的优劣。最后结合目前的研究现状，对单原子催化剂应用于能源领域所面临的机遇和挑战进行了展望。作者认为，未来该领域的发展可以从以下几方面入手：1）为了使单原子催化剂能广泛应用于工业生产中，开发简单、易于规模化的合成方法，制备高负载量、高稳定性的非贵金属单原子催化剂显得尤为迫切。2）目前常用的单原子催化剂表征手段很难在真实反应条件研究活性位点精确的电子结构和配位环境，同时所获得的信息通常是统计平均信息，无法给出单一活性位点的特征信息。3）拓展单原子催化剂的应用范围到其他重要的能源相关催化反应中。虽然目前单原子催化剂应用于能源催化转化已大量报道，在需要苛刻操作条件才能发生的反应，如费托合成、重油裂解等反应中，单原子催化剂还未曾涉及。4）理论模拟计算和人工智能用于预测、指导单原子催化剂的合成。目前的理论计算通常在理想条件下模拟催化反应过程，研究真实催化反应条件下单原子催化剂的构效关系对于理解反应机理及催化剂的设计具有重要意义；同时借助高通量筛选、机器学习和人工智能，实现为特定催化反应量身定做高活性、高稳定性的单原子催化剂。5）以单原子催化剂为平台合成具有特定结构的双原子、多原子催化剂。单原子催化剂在催化剂反应中并不总是表现出优异的活性和选择性，特别是需要多个活性位点才能发生的反应，如电催化氧化甲醇反应。以单原子催化剂为平台构筑多原子催化剂，将单原子催化剂（single-atom catalysts）的概念拓展到单团簇催化剂（single-cluster catalysts）对于实现能源的高效催化转化具有非常重要的意义。

相关论文在线发表在Joule 期刊。

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Transforming Energy with Single-Atom Catalysts

Shipeng Ding, Max J. Hülsey, Javier Pérez-Ramírez, Ning Yan

Joule, 2019, DOI: 10.1016/j.joule.2019.09.015