曾杰教授，JMCA综述：金属氧化物负载的单原子用于能源催化- 大数跨境

首页

曾杰教授，JMCA综述：金属氧化物负载的单原子用于能源催化

科学材料站

2021-11-11

导读：该文章综述了金属氧化物为载体SACs的研究进展，讨论了金属氧化物负载SACs的合成策略、表征手段和能源领域的应用，以及未来面临的挑战。

文章信息

金属氧化物负载的单原子用于能源催化

第一作者：李润泽

通讯作者：曾杰*

单位：中国科学技术大学

研究背景

高比表面积对于提高催化剂的性能，特别是活性具有重要意义，这对于高性能贵金属尤其重要。单原子催化剂（SACs）已成为多相催化的前沿领域，因为其最大限度地提高了原子的利用效率，有望为目标反应实现原子尺度上的理性设计。然而，由于高表面能，孤立的金属原子容易迁移或聚集成团簇。

为了提高孤立原子的稳定性，人们发展了各种传统和新颖的合成方法。先进的表征技术是开发SACs的重要手段，它可以为确定SACs的几何结构和电子态提供有用的信息。此外，SACs在热催化、电催化、光催化、电池和有机化学等能源领域得到了广泛的应用。

在众多载体中，金属氧化物负载的SACs由于其表面pH值和氧化还原等特性而受到广泛关注。金属氧化物载体不仅分散和稳定金属原子，而且与金属原子相互作用，往往导致表面电荷转移、金属结构改变和分子吸附的调节，从而影响催化剂的性能。金属-载体相互作用（MSI）要求金属物种与载体表面之间存在非常显著的电荷转移，从而导致纳米尺度下的可逆结构变化。

文章简介

基于此，来自中国科学技术大学的曾杰教授，在Journal of Materials Chemistry A杂志上发表题为“Single atoms supported on metal oxides for energy catalysis”的综述文章。该文章综述了金属氧化物为载体SACs的研究进展，讨论了金属氧化物负载SACs的合成策略、表征手段和能源领域的应用，以及未来面临的挑战。

图1. 文章主要论点概览。

图2. 金属氧化物的酸碱性。

文章要点

要点一：金属氧化物负载的SACs的制备策略

恰当的合成方法是SACs发展和实际应用的前提。许多金属氧化物，包括FeOx, CeO2, TiO2, ZnO和Al2O3，都是很有前途的SACs的载体。合成方法一般分为“自下而上”和“自上而下”两类。

例如湿化学法（共沉淀法、浸渍法、沉积-沉淀法、强静电吸附法和溶胶-凝胶法）、物理沉积法（原子层沉积和质量选择软着陆）、再分散法（高温原子捕获法和反Ostwald熟化法）、熔融盐法和电化学沉积法等。

总结了制备稳定的SACs的策略以及这几种方法在制备过程中的优缺点。为了成功制备SACs，需要根据载体的特性，精心选择合适的单核金属配合物前驱体，实现前驱体的原子分散和分离，抑制载体上原子的迁移和聚集。

要点二：金属氧化物负载的SACs的表征手段

先进的表征技术在SACs的发展中起着重要的作用，为SACs的结构研究提供了有用的信息。例如显微技术（扫描透射电子显微技术和扫描隧道显微技术）、X射线技术（X射线吸收光谱、X射线光电子能谱和X射线衍射）、红外光谱、核磁共振光谱和电子顺磁共振谱。

SACs的典型几何结构是指仅存在孤立的活性金属原子，可以直接根据其定义证明了单原子的形成。SACs的电子结构主要与金属原子的电子轨道态和价态有关，这不能为孤立原子的产生提供直接的证据，但为理解结构-性能关系提供了深刻的见解。

归纳了适用于SACs的先进表征手段以及各自特点。强调了在识别原子分散的单原子、研究催化剂的精细结构、探索催化剂在不同工作环境中的不同性能等方面，将多种表征技术结合起来是至关重要的。

图3. 表征技术的探测源。

要点三：金属氧化物负载的SACs在能源催化领域的应用

SACs在能源催化领域有着广泛的应用，例如CO氧化反应、水汽变换反应、甲烷转化反应、CO2加氢反应以及电催化和光催化。充分暴露的活性位点、增强的金属载体相互作用和独特的电子结构使SACs的催化性能得到提高。强调了SACs的独特结构表现出不同于纳米催化剂的特殊性能，从实验和理论两个方面详细研究了反应机理和结构与性能的关系。

此外，由于SACs结构的同质性和简便性，有利于活性位点的准确结构识别，这为实验与理论相结合的原子水平机理研究提供了基础，对催化剂的理性设计具有重要的指导意义。

要点四：前瞻

为了满足催化基础研究和实际应用的需要，增加SACs中金属原子的负载量和实现更大规模的SACs的简单合成是SACs制备中面临的两个关键挑战。有效控制氧化物负载原子的配位环境具有重要意义。

此外，SACs的稳定性是评价催化剂性能的重要组成部分。因此，需要更巧妙的合成策略来构建具有长期热力学稳定性的SACs。结构与性能的关系以及在原子尺度上的催化机理还有待进一步探索。

理论计算和原位表征技术的结合，有望为合理选择和设计新型SACs，提高其催化性能和结构稳定性提供有价值的见解。此外，具有最小桥位活性位点的双原子催化剂（DACs）、最小中空位活性位点三原子催化剂（TACs）和其他原子型金属催化剂有望在更复杂的催化体系中得到应用。

文章链接

Single atoms supported on metal oxides for energy catalysis

https://doi.org/10.1039/D1TA08016D

通讯作者简介

曾杰教授。

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心教授、博士生导师。1998年进入中国科学技术大学学习，2002年获应用化学学士学位，2008年获凝聚态物理博士学位，师从侯建国院士。2008年赴美，在美国圣路易斯华盛顿大学夏幼南教授研究团队工作。2012年，回到中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心任教授。研究领域为碳一分子催化转化。迄今为止，曾杰教授已在Nature Nanotechnol.、Nature Energy、Nature Commun.等高影响力学术期刊发表了175篇论文，总被引用14,000余次，H因子为63。申请中美专利共49项。出版书籍4部。入选国家杰出青年科学基金、国家“万人计划”科技创新领军人才，荣获中国青年科技奖“特别奖”、中国化学会-赢创化学创新奖、侯德榜化工科学技术青年奖、中国新锐科技人物、安徽省自然科学奖一等奖、安徽青年五四奖章等奖项。

第一作者简介

李润泽于2021年获得中国科学技术大学化学学士学位。现为清华大学博士研究生，导师为王定胜教授。主要研究方向为新型功能性单原子催化剂的设计与合成及其在能量转换与储存中的应用。

课题组介绍

课题组主页：http://catalysis.ustc.edu.cn/