清華大學李亞棟&王定勝J. Am. Chem. Soc.：通過聚合物包覆單（混合）金屬氧化物的核-殼方案制備金屬單原子材料

【引言】

由于金屬單原子材料具有獨特的催化性能，近年來已成為新的研究熱點。隨著催化領域的快速發展，研究人員已提出多種制備金屬單原子材料的方法，包括原子層沉積（ALD）法、濕浸漬法、共沉淀法和光沉積法等。因此，各種負載型金屬單原子催化劑，包括貴金屬Au，Pt，Pd，Ir和Ru，非貴金屬Fe，Co和Ni已被證明具有良好的催化性能。然而，開發能夠使金屬單原子材料實現廣泛應用的先進合成方法依舊迫在眉睫。

【成果簡介】

近日，清華大學李亞棟院士和王定勝教授(共同通訊作者)等人在J. Am. Chem. Soc.上發表了一篇名為“Metal (Hydr)oxides@Polymer Core–Shell Strategy to Metal Single-Atom Materials”的文章。研究人員采用一種新的通過制備核-殼結構的方法來合成單原子材料。該方法先將聚合物涂覆在金屬氫氧化物或氧化物上，進行高溫熱解和酸浸，使得金屬單原子固定在中空氮摻雜碳（CN）材料的內壁上。通過改變金屬前驅體或聚合物的種類，研究人員證明了：分散在CN材料（SA-M / CN，M = Fe，Co，Ni，Mn，FeCo，FeNi等）上的不同金屬單原子成功合成。同時驗證了在苯羥基化到苯酚時，所獲得的SA-Fe / CN比Fe納米顆粒 / CN具有更高的催化活性（45% vs 5%苯轉化率）。第一性原理計算進一步表明，材料的高反應活性是由于在單Fe位點上更容易形成活性氧。該成果為制備各種金屬單原子材料類新型催化劑提供了更簡單的方法。

【圖文導讀】

圖1 SA-Fe / CN（單原子鐵/N摻雜碳材料）的合成過程示意圖

圖2 SA-Fe / CN的形貌表征

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圖3 SA-Fe / CN的結構及組成成分分析

分析證明，Fe原子分散在SA-Fe / CN上。中心原子Fe的配位數約為4，Fe-N / C的平均鍵長為2.04。在SA-Fe / CN中，Fe原子與4個N原子配位。

圖4 SA-M?/ CN的AC HAADF-STEM圖像（M代表一種或兩種金屬元素）

單個原子用黃色圓圈突出顯示。

圖5 各類材料的催化活性對比及SA-Fe / CN與Fe / CN的催化活性機理比較

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【小結】

研究人員開發了一種新的核-殼方法來制備穩定的SA-M / CN材料。材料用于苯直接羥基化到苯酚時，SA-Fe / CN催化劑表現出45%的高轉化率和94%的選擇性，比Fe納米顆粒/ CN（僅5％轉化率）高得多。這項工作表明，新型SA-M / CN材料可以通過這種有效途徑制備，可能在有機反應或能量轉換中有廣泛的應用。此外，該制備方法還能進一步應用到其他單原子金屬元素的制備中，從而實現催化領域的進一步發展。

文獻鏈接：Metal (Hydr)oxides@Polymer Core–Shell Strategy to Metal Single-Atom Materials(J. Am. Chem. Soc.,2017,DIO:10.1021/jacs.7b05372)

本文由材料人編輯部deer供稿，材料牛整理編輯。

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