單原子催化劑研究現狀：我們在哪裡？要到哪裡去？
2020-07-12 讀懂科學【研究背景】
隨著納米催化的發展和表徵技術的進步，研究者發現表面不飽和配位原子往往是催化的活性位點，基於此，研究者通過控制納米晶的尺寸、形貌、晶面去調控催化劑表面原子的分布和結構以提高催化性能。當催化劑尺寸降低到團簇、單原子時，其能級結構和電子結構會發生根本性的變化，正是由於這種獨特的結構特點，使得單原子催化劑往往表現出不同於傳統納米催化劑的活性、選擇性和穩定性。單原子催化劑因其具有原子級分散的金屬活性中心，表現出極其優異的催化活性和最大的原子使用效率。自2011年中國科學院大連化學物理研究所張濤院士提出單原子催化的概念以來，金屬單原子催化劑已經迅速成為了催化領域的研究前沿和熱點。
【工作介紹】
自單原子催化劑這一概念被提出以來，該類材料經歷第一個10年的快速發展。然而單原子催化劑本身並不是近十年才出現的。它一直存在於傳統催化劑中，科研工作者對它的關注可以追溯到1925年，在那一年，Taylor大膽推斷在異相催化劑中一定存在一種孤立的催化反應中心。然而受限於催化表徵技術的發展，當時並不能提出一個足以使大眾信服的證據。隨著透射電鏡的高速發展，我們可以直接觀測到孤立催化反應中心的存在。與此同此，同步輻射技術在表徵應用領域內的發展為我們探究孤立催化反應中心的配位構型提供了理論依據。單原子催化劑的研究也由此迎來了它的春天。
近日，新加坡南洋理工大學樓雄文課題組等人總結了單原子催化劑的結構特點，並將其與異相催化劑，均相催化劑以及催化反應酶進行了比較。單原子催化劑被認為集合了各類催化劑的優異特性：高穩定性，高原子利用效率，高催化活性，高反應選擇性，均一的結構模型，並且易於分離。這些結構特點也註定了該類催化劑在催化領域內的廣泛應用。
單原子催化劑的結構特點
【內容表述】
單原子催化劑在生物醫療領域內的應用
單原子催化劑與自然界中的反應酶具有非常相近的結構類型。這也使得科研工作者對單原子催化劑在生物醫療領域內的應用產生了諸多期待。近幾年，科研工作者的期待得到了驗證。該類催化劑不僅在生物識別領域實現了較好的應用，而且在生物治療方面也有著不俗的表現。高效、專一是該類催化劑的特徵與標籤。這無疑使人們對該類催化劑產生更多的遐想。該類催化劑在抗菌消炎方面的成績是否能為它在腫瘤治療方面佔據一席之地？但一切只是開始，時間會給予答案。在我們看到該類催化劑諸多成績的面前，我們也需要清晰地認識到瓶頸與障礙。目前來看，生物相容性差是該類材料的一個較大的短板。由於該類催化劑需要負載於尺寸較大的載體之上，它們往往被我們免疫系統識別為異物而被清理。通過優化載體特性，提高催化劑本身的生物相容性，會助力於該類催化劑在生物醫療領域內的廣泛應用。
單原子催化劑與自然界酶的高度相似性
單原子催化劑/酶在癌症治療方面的應用與嘗試
單原子催化劑在自然環境優化以及能源轉化領域內的應用
對於一個被廣泛應用的催化劑而言，成本永遠是要被考慮的一個重要因素。提高催化劑的反應活性以及單位原子使用效率無疑可以有效地降低催化劑的使用成本，尤其針對貴金屬催化劑而言。作者總結了單原子催化劑在水汙染治理，溫室氣體轉變，以及清潔燃料的再生等領域內的應用與表現。該類催化劑的高效性已經被證實。其穩定性也極大取決於載體的穩定性，也就是說當我們選擇一個優異的載體時，它的穩定性時可以被保證的。那單原子催化劑從書架到貨架的路到底有多遠？然而，這並不是很容易回答的問題，這是因為我們實驗室的研究參數和實際的應用參數有一定的差距，從催化反應的實驗室評估到規模測試有一些工程技術壁壘，催化劑的大規模合成與構築技術還不是很成熟（目前可以實現KG級別製備）。與此同時，我們也要樂觀的看到，在文章發表的同時，我們的研究在與工業應用的契合度不斷地提高。部分催化劑應用於工業催化體系中已經不再遙遠。
單原子催化劑在能源轉化領域的應用
單原子催化劑還能火多久？
目前來看，單原子催化劑的研究確實挺火的，科研工作者努力地將有關單原子催化研究的觸角伸向不同應用領域，從殺菌到腫瘤治療，從水汙染治理到溫室氣體的淨化，從清潔能源的再生到新型儲能電池的研發。「眼見他起高樓，眼見他宴賓客」。那接下來的問題就是：這類材料究竟還能火多久？這個問題對於該領域的科研工作者來說，應該屬於靈魂拷問。在筆者看來，單原子催化劑本身並不是簡單的一種材料，它更代表著一種研究思路和研究尺度。它清晰的提醒著大家，我們的研究對象已經進入了一個絕對的原子尺度。該研究方法不僅適用於單原子催化劑，而且適用於納米催化劑，亞團簇催化劑。這是單原子催化劑不同於任何其他催化劑的獨特之處。原子通常被認為是我們研究對象的極限，在新的極限出現之前，該類材料所代表的研究方法是適合的，有效的。
歷史不幸記載著我們在「極左」或者「極右」的道路上不斷地徘徊著，對於科學研究來說，亦是。單原子催化劑不是萬能的，一味強調單原子催化劑優於傳統催化劑是不合理的。我們對於單原子催化劑的研究不應該脫離於傳統催化劑。諸多結果將證實，單原子催化劑是傳統催化劑的一部分。我們對單原子催化劑的研究將助力於我們對於傳統催化劑的優化。在此之前，我們不曾想過，單原子催化位點共存於傳統的納米催化劑中。在我們商用鉑碳中，有無數孤立存在的催化位點。這些位點在催化反應過程中貢獻著自己，卻不曾被覺察。我們需要做的是發現它的存在，評估它的貢獻，優化它的表現，最終實現對傳統催化劑的性能提升，這是單原子催化研究的一個重要分支。
另一方面，我們對孤立催化反應中心研究地同時，往往忽略了單原子的引入對載體結構產生的影響。孤立反應位點的引入不可避免會產生新的缺陷。而針對於這些缺陷是否貢獻催化活性的問題，目前來看，尚沒有一個系統的研究。但這種研究是必要的，在正確理解這個問題以後，我們對單原子催化的認知也會更為清晰。
Huabin Zhang, Xue Feng Lu, Zhi-Peng Wu, and Xiong Wen David Lou*, Emerging Multifunctional Single-Atom Catalysts/Nanozymes, ACS Cent. Sci. 2020, DOI: 10.1021/acscentsci.0c00512
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