解決單原子催化劑工業化制備難題？Nat. Commun：采用前體霧化策略建立單原子催化劑庫和生產線

解決單原子催化劑工業化制備難題？Nat. Commun：采用前體霧化策略建立單原子催化劑庫和生產線

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01、導讀

單原子催化劑（SAC）是一類很有前途的材料，它結合了均相催化劑和非均相催化劑的優點，在實際應用中顯示出優異的催化性能，包括高價值化學品生產、能量轉換和消除污染。然而，人們普遍認為SACs仍有許多未知之處有待探索，包括發現獨特的催化性能，理解結構-性能關系以及實現工業應用。進一步研究SACs的先決條件是開發靈活和可擴展的制備方法，但這仍然是一個巨大的挑戰。首先，制定一種通用的路線來制造具有不同金屬位點和載體的各種SACs是非常困難的，因為它們具有明顯不同的物理/化學性質，包括但不限于金屬前驅體的溶解度、熱穩定性，以及表面配位環境和載體的親疏水性等。其次是規模化效應嚴重阻礙SACs的批量生產。采用常用的濕化學方法對金屬種類的聚集狀態有顯著影響。盡管這些條件在實驗室規模上可以很好地控制，但在工廠規模上幾乎不可能實現，因為不可避免的傳質和傳熱不均勻，會導致局部濃度過高，從而產生不希望的金屬種類聚集，一種解決方法是采用連續的制備方法(隨時間增加產量)來代替目前的批量制備方法，但相關報道非常少。因此，開發一種通用、連續和直接的方法來制造SACs是科學和技術上的當務之急。

02、成果掠影

在此，中山大學紀紅兵教授團隊聯合北京大學馬丁教授團隊報道了一種用于合成SACs及其衍生物的前體霧化策略，整個制備過程只包括兩個步驟：第一步，前體的稀溶液被原子化并噴到支架上；第二步，對上述樣品進行熱處理分解前驅體，得到相應的SACs；值得注意的是，該方法適用于成功合成一系列催化劑，可以為各種不同的金屬支撐組合建立SACs庫，包括19個具有不同金屬位點和載體的SACs和3種SACs衍生物（單原子合金，雙原子催化劑和雙金屬SACs）。此外，該合成路線可以通過自制的1公斤/天的生產線進行放大，并且在Suzuki-Miyaura交叉耦合過程中具有相同的表征結果和催化性能，這證明了該工業合成過程具有良好的催化劑均勻性控制。該策略為SACs的進一步研究奠定了基礎，并可能加快SACs從基礎研究向工業應用的轉變。

相關研究成果以“Building up libraries and production line for single atom catalysts with precursor-atomization strategy”為題發表在Nature Communications上。

03、核心創新點

1、前體霧化策略適用于成功合成一系列催化劑，可以為各種不同的金屬支撐組合建立SACs庫，包括19個具有不同金屬位點和載體的SACs和3種SACs衍生物。

2、前體霧化策略在SACs的批量生產中具有很大的潛力，Pd₁/FeO_x在自制的生產線上生產力可以達到1公斤/天。

04、數據概覽

圖1 Pd₁/FeO_x的制備及結構表征 ? 2022 The Author(s)

（a）前驅體霧化策略制備Pd₁/FeO_x的方案；

（b）Pd₁/FeO_x的TEM圖像；

（c）Pd₁/FeO_x的元素映射；

（d）Pd₁/FeO_x的AC HAADF-STEM圖像；

（e）Pd₁/FeO_x，未煅燒Pd₁/FeO_x，PdO和Pd箔的Pd K-edge EXAFS的k³-加權FT譜；

（f）Pd K-edge EXAFS用于Pd₁/FeO_x，PdO和Pd箔；

（g）未煅燒Pd₁/FeO_x的AC HAADF-STEM圖像；

圖2 前體霧化策略的普遍性 ? 2022 The Author(s)

圖3 SACs衍生物的制備與結構表征 ? 2022 The Author(s)

（a-d） Pd₁/Cu的AC HAADF-STEM圖像、元素映射、FT-EXAFS和XANES Pd k-edge；

（e-h） AC HAADF-STEM圖像，在標記為1-3的區域獲得的強度分布，FT-EXAFS，Pd₂/FeO_x的Pd K-edge XANES光譜；

（i-l） Pd₁-Pt₁/FeO_x的AC HAADF-STEM圖像、元素映射和Pd K-edge FT-EXAFS光譜；

圖5?基于前驅體霧化策略的生產線 ? 2022 The Author(s)

（a） 基于前體霧化策略的生產線方案；

（b-e） Pd₁/FeO_x-1,2,3,4的AC HAADF-STEM圖像；

（f） Pd₁/FeO_x-1和4、PdO和Pd箔的Pd K-edge XANES的k³-加權FT光譜；

（g） Pd₁/FeO_x-1,4、PdO和Pd箔K-edge XANES的WT；

（h） Pd₁/FeO_x-1和4、PdO和Pd箔的Pd K-edge XANES；

（i） Pd₁/FeO_x-1,2,3,4的Pd 3d的XPS模式；

圖6?Pd₁/FeO_x在Suzuki–Miyaura交叉偶聯反應中的催化性能 ? 2022 The Author(s)

（a,b） Suzuki–Miyaura交叉偶聯分別由19種SACs和不同的商用鈀催化劑催化；

（c） Pd₁/FeO_x-1的回收實驗；

（d） Pd₁/FeO_x-1,2,3,4在不同溫度下的催化性能；

（e） 不同堿金屬Pd₁/FeO_x-1,2,3,4的催化性能；

（f） Pd₁/FeO_x-1,2,3,4對形成不同產物的催化性能；

圖7?Pd₁/FeO_x-1催化芳基溴和芳基硼酸的Suzuki–Miyaura交叉偶聯 ? 2022 The Author(s)

05、成果啟示

綜上所述，該工作開發了一種多功能前體霧化策略，可以精確操作和排列原子，從而獲得SACs庫（包括19個SACs以及SAAs、DACs和雙金屬SACs），基本涵蓋了目前廣泛關注的SACs催化劑結構。此外，該工作還建立了大規模合成SACs的生產線，生產能力可提高到1公斤/天以上。Pd₁/FeO_x在Suzuki-Miyaura交叉偶聯反應中具有相同的催化劑結構和催化性能，即便生產的批次不同，均表現出顯著的重復性，因此該工作具有大規模合成SACs的巨大潛力。

文獻鏈接：Building up libraries and production line for single atom catalysts with precursor-atomization strategy，2022，https://doi.org/10.1038/s41467-022-33442-2）