單原子催化劑宏量製備哪家強？已從實驗室邁向工業界

2020-04-21 讀懂科學

單原子催化劑由於原子利用效率高，在某些反應中，表現出非常優異的性能以及特殊的選擇性，從而備受廣大研究者的青睞。然而，很多人認為單原子催化劑離商業化還有很遠的路要走。

單原子催化劑宏量製備哪家強？已從實驗室邁向工業界


圖1. 不同尺寸的金屬物種的電子結構和幾何結構的比較。圖片來源：Chem. Rev. 2018，DOI: 10.1021/acs.chemrev.7b00776

若要工業化，就要解決單原子催化劑的三個關鍵問題：

（1）製備成本問題，製備工藝簡潔化，降低成本；

（2）宏量製備問題，開發適合大批量製備的方法；

（3）催化劑穩定問題，在使用過程中不易團聚，穩定性佳。

廣大研究者也是竭力解決這三個共性問題，於是開發出了很多普適性的方法，適合多種金屬單原子催化劑的合成，以及可公斤級製備的方法。那麼今天就簡單總結下目前有哪些成果已做到宏量製備，若有不對之處，請指正！

1、中山大學紀紅兵教授、何曉輝副教授與北京大學馬丁教授緊密合作，以性質非常接近兩種乙醯丙酮鹽為原料，通過球磨法製備千克級單原子催化劑。這種方法簡易高效，無放大效應，可輕鬆實現公斤級製備。（Cell Reports Physical Science, 論文DOI：10.1016/j.xcrp.2019.100004）

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圖2. 公斤級製備單原子催化劑

2、中科院理化所張鐵銳研究員報導了可以大規模（> 1 kg）生產高金屬負載量的單原子催化劑的方法，並成功合成了一波M-SACs催化劑（M = Ni，Mn，Fe，Co，Cr，Cu，Zn，Ru，Pt及其組合）催化劑。（Nat. Commun., 論文DOI: 10.1038/s41467-019-12510-0）

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圖3. 高金屬負載量的單原子催化劑

3、大連化物所喬波濤研究員、李為臻研究員和張濤院士團隊在單原子催化研究方面取得新進展，通過簡單的物理混合方法，經高溫焙燒即可製備得到高熱穩定單原子催化劑。研究表明，強共價金屬-載體相互作用可促進單原子的生成。該方法操作簡單、易放大，已實現千克規模製備，為單原子催化劑的大規模製備奠定了基礎。(Nat. Commun., 論文DOI: 10.1038/s41467-020-14984-9)

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圖4. Ru單原子的公斤級製備

4、中國科技大學吳宇恩教授和清華大學李亞棟教授通過氣體遷移的方法，基於強路易斯酸-鹼作用，氨與銅原子配位生成揮發性物質Cu(NH3)x，然後在氨氣氛圍下運輸Cu(NH3)x，Cu(NH3)x被富氮碳載體捕獲，從而形成分散的銅位點。該方法可以放大，已被證實可以用於工業水平上生產SACs。（Nat. Catal., 論文DOI: 10.1038/s41929-018-0146-x）

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圖5. Cu單原子催化劑的大規模製備

5、英國卡迪夫催化研究所Graham J. Hutchings教授課題組設計了基於有機溶劑快速製備單原子貴金屬催化的方法，避免了強酸和強氧化性溶劑的使用。成功證明了可以在沒有高氧化酸性溶劑的情況下，利用基於低沸點、低極性溶劑(如丙酮)的浸漬法，簡單便捷的製備出含有Ru、Pd、Pt和Au的高度分散金屬催化劑。雖然沒有提到大規模合成，但是基於浸漬法，大規模製備單原子可能會容易實現。（Nat. Chem. 論文DOI: 10.1038/s41557-020-0446-z）

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圖6. 有機溶劑法合成單原子催化劑

6、中國科學院青島生物能源與過程研究所梁漢璞研究員帶領的能源材料與納米催化研究組開發出一種價格低廉、簡單環保且適宜放大生產的Fe單原子催化劑製備策略。該策略以具有富鐵和超強吸水性特性的可再生生物質木耳為碳、氮和鐵源，無需額外人工添加任何Fe鹽，僅利用自身毛細管吸附作用吸附含氮溶液進行有效的氮含量提升，即可獲得以Fe-N4為活性中心的高效Fe單原子催化劑(Fe-ISA/NC)。（Carbon. 論文DOI:10.1016/j.carbon.2019.10.054）

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圖7. Fe單原子的製備

從上來看，單原子催化劑的宏量製備看似已不是難題，離工業化已經很近了。

的確如此，工業應用已開展，單原子催化公司都已經有了，且從官網了解到，有多種單原子催化劑可生產。

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圖8. 單原子催化科技有限公司

這些說明單原子催化劑已不僅僅只是實驗室的概念，工業應用已加速發展。因此，從科研角度來看，單原子催化劑的合成突破難度已大大增加，若在這方面立足，除非有高超的手段。

源於催化產研圈，若有不妥，請聯繫！


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