多校聯合發 Nature Materials，指導單原子催化劑合成！

【導讀】

單原子催化劑（single-atom catalysts, SACs）是將孤立的金屬原子錨定在固體基質上，具有非相催化劑易于分離、良好的可回收性和易于固定的優點，同時具有均相催化劑活性中心高度均勻、配位環境可調和原子利用效率高等優點。此外，SACs為探索催化結構性能關系以及研究原子尺度的催化機制提供了一個基本平臺。近些年來，雖然已開發了數十種用于電催化、熱催化、光催化和儲能的SACs，它們表現出優異的催化活性和選擇性，但是仍然存在以下的挑戰：（1）缺乏一套統一的指導SACs合成的準則；（2）SACs的局部結構仍然難以調控，包括鍵長、氧化態、配位數（CN）和配位陰離子；（3）難以控制金屬單原子（SAs）的負載，其傾向于聚集成納米團簇/顆粒；（4）目前在如何將不同的元素金屬位點結合到一個SAC系統中，并為SAC打開成分復雜的多金屬相空間方面存在知識差距。

【成果掠影】

近日，美國加州大學爾灣分校忻獲麟教授、廈門大學/廈門大學馬來西亞分校鄭金成教授和天津理工/電子科大（深圳）高研院羅俊教授（共同通訊作者）等人報道了一種利用溶解和碳化方法合成了基于37種單金屬元素的單原子催化劑（SACs），并對其進行表征和分析，以建立最大的SACs庫。結合原位研究，作者揭示了單原子的氧化態、配位數（CN）、鍵長、配位元素和金屬負載的統一原理，以指導設計具有錨定在氮摻雜碳上的原子分散的單原子催化劑。此外，作者利用該庫為SACs打開了復雜的多金屬相空間，并證明了使用單原子錨定位點作為結構單元組裝具有多達12種不同元素的成分復雜的SACs材料，且沒有基本限制。該工作為合理設計SACs提供了一個從單金屬到成分復雜的多金屬材料的單原子庫。研究成果以題為“A single-atom library for guided monometallic and concentration-complex multimetallic designs”發布在國際著名期刊Nature Materials上。

【核心創新】

1、構建了基于37種單金屬元素的最大單原子催化劑（SACs）庫。

2、利用該庫為SACs開辟了復雜的多金屬相空間，并證明了使用單原子錨定位點作為結構單元組裝具有多達12種不同元素的成分復雜的SACs材料，且沒有基本限制。

【數據概覽】

圖一、單金屬SACs的合成與表征?2022 Springer Nature Limited
（a）SAC合成示意圖；

（b）SACs的37種金屬元素及其平均價；

（c）球差校正的HAADF-STEM圖像；

（d）SACs、擬合和參考材料的FT-EXAFS譜圖。

圖二、單金屬SAC特性的相關性分析?2022 Springer Nature Limited
（a）SAs與其第一殼元素的鍵長；

（b）SAs的CN值；

（c）SAC屬性的相關性；

（d）SAC屬性的相關散射矩陣；

（e）SACs中的SA負載量，由ICP-MS測定；

（f）最大SAC金屬前體比率對電負性的依賴性。

圖三、SACs的溫度誘導演化動力學?2022 Springer Nature Limited
?（a）Mo SAC合成的原位Mo K-edge XANES光譜；

（b）具有MoO₆、MoC₂O和MoC₂N部分的XANES擬合曲線；

（c）原位Mo K-edge FT-EXAFS光譜；

（d）具有MoO₆、MoX₂O和MoC₂X部分的EXAFS擬合曲線；

（e）Mo SAC形成過程中原子結構演化示意圖；

（f-i）Mo SAC合成的原位Mo 3d、O 1s、N 1s和C 1s的XPS光譜；

（j-l）Mn SAC合成的原位Mn 2p、O 1s和N 1s的XPS光譜；

（m）MnO₆向MnN₄的結構轉換示意圖。

圖四、含有12種不同金屬元素的SAC的表征和OER性能?2022 Springer Nature Limited
?（a）原子分辨率的HAADF-STEM圖像；

（b）（a）中盒裝區域的特寫視圖；

（c）（a）中隨機選擇區域的偽彩色表面圖；

（d）HAADF-STEM圖像和能量色散光譜元素圖；

（e）SAs和相應參考材料的FT-EXAFS光譜；

（f）通過ICP-MS測定的每種金屬元素的含量；

（g）12種金屬SACs、12種混合單金屬SACs、單金屬SACs、C襯底和商業IrO2的線性掃描伏安曲線；

（h）利用12種金屬SACs獲得的計時電位曲線。

【成果啟示】

綜上所述，作者構建了一個從單金屬到成分復雜的多金屬材料的單原子庫。對庫中SAC屬性相關性的大數據分析，不僅為理解不同種類SAC中活性位點的性質提供了統一的原理，也啟發了對SAC形成機制的更深入了解。該工作可能會為SACs開辟指數級更復雜的多金屬相空間，并激發SAC發現和優化的新研究領域，其中SACs的元素組成可用于控制SAC合成和活性。

文獻鏈接：A single-atom library for guided monometallic and concentration-complex multimetallic designs. Nature Materials, 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01252-y.

本文由CQR編譯。

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