结构明确金属催化剂的演变：从纳米催化到单原子位点催化

催化在化学科学研究和化学工业中扮演着无可替代的角色。有90%以上的化学品是通过催化工艺合成制备的，催化所创造的产值占全球GDP的近30%。发展新的催化剂合成技术、研究催化剂的结构和性质之间的关系，有助于我们解决当前所面临的能源和环境挑战，从而推动相关产业的快速发展。

基于近几年金属催化由纳米尺度向单原子位点、团簇尺度演变，催化领域产生了一系列具有深刻影响力和启发性的研究成果。清华大学李亚栋、牛志强研究团队近期发表于Chem. Rev. 期刊的综述文章系统地阐述了纳米催化和单原子位点催化方面的研究成果，展示了研究者从上个世纪以来在纳米催化领域所取得的诸多成就和近几年在单原子位点催化领域的新进展。综述讨论了纳米/单原子位点催化剂的合成策略、构效关系以及新型纳米/单原子位点催化剂在基础化学工业、精细有机化工、能源转化催化以及环境催化中的应用。

在综述中，作者总结了从纳米催化到单原子位点催化的研究历程。在第一部分，作者讨论了纳米结构催化剂的尺寸（图1）、形貌（图2）和金属-载体相互作用（图3）对催化的影响，结合研究实例展示了具有特定结构的纳米颗粒的结构动态演化。在第二部分，作者介绍了金属单原子位点催化剂的发展历史。金属单原子位点和载体共同组成了以孤立的金属单原子位点为活性中心的负载型催化剂。单原子位点催化剂中金属原子的利用率达到100%。此外，单原子位点催化剂比纳米颗粒具有更加明确、均一的活性中心，有利于结构-性质关系的研究。作者重点介绍了单原子位点催化剂的合成方法（图4）及其独特的催化性质和构效关系。最后，作者展示了一类由数个金属原子构成的结构比较特殊的原子簇催化剂，这类团簇催化剂的尺寸介于纳米催化剂和单原子位点催化剂之间，展现出了独特催化性质（图5）。

图1. 金属纳米颗粒的表面原子配位数与尺寸的关系，以及Au催化剂催化CO氧化的尺寸效应。

图2. (左)单晶表面原子的形状依赖性电子结构及其ORR性能 (右) 不同形貌Cu纳米晶对芳香环氧化合物脱氧展现出晶面效应。

图3. (左) Pt向CeO₂电子转移与Pt纳米颗粒尺寸的定量关系；（右）构筑金属/氧化物界面实现高活性高选择性苯甲醇氧化

图4. 金属单原子位点催化剂的自下而上和自上而下合成方法

图5. 孤立单团簇位点催化剂

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Well-Defined Materials for Heterogeneous Catalysis: From Nanoparticles to Isolated Single-Atom Sites

Zhi Li, Shufang Ji, Yiwei Liu, Xing Cao, Shubo Tian, Yuanjun Chen, Zhiqiang Niu, Yadong Li

Chem. Rev., 2020, 120, 623-6821, DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00311

导师介绍

李亚栋

https://www.x-mol.com/university/faculty/12007