【精品文章】中科院大化所制备出高温稳定高载量单原子催化剂

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新型高负载量co-n-c单原子催化剂大化所张涛院士课题组最新力作chemical science

新型高负载量Co-N-C单原子催化剂——大化所张涛院士课题组最新力作Chemical Science...前言声明：原文一直使用的是Single-atom dispersed Co-N-C catalyst，这里为了简便，直接翻译为单原子。

实际上，Co 是以Co-N-C的形式存在，自然不是零价的Co原子，说成单原子不是特别准确。

1. 背景说起单原子催化，大家可能都不陌生（参见“以一当十”之神奇的单原子催化）。

自从2011年大连化物所张涛院士课题组提出“单原子催化”的概念并制备了第一种具有实际应用价值的单原子催化剂Pt1/FeOx以来，单原子催化异军突起，发展得如火如荼。

各路大牛、小牛纷纷加入到这个行列大展身手，一时间可谓“百花齐放，百家争鸣”（参见“这个单原子不怕热—浅析最新的一篇Science”和“简单背后的不简单—浅谈郑南峰老师等人的Science”）。

前段时间，大连化物所举办了第一届“单原子催化论坛”（第十六届国际催化会议之会前会），邀请各路高手云集一堂共商大计。

大家一致认为，高负载量单原子催化剂及其催化新反应、先进的表征技术、单原子催化的理论认识是该领域的发展方向，同时也是硬骨头。

而今天要和大家分享的是张涛院士课题组的最新力作——高载量单原子催化剂之Co-N-C的制备，结构鉴定及其催化应用。

文章的共同第一作者为张涛院士课题组的刘文刚同学和张磊磊博士，共同通讯作者为张涛院士和王爱琴研究员。

研究的出发点是什么？考虑到非铂基ORR电催化剂中Me-N-C材料的出现(Me = Co/Fe….)用以替代昂贵的Pt/C电催化剂，与单原子催化剂提高金属利用率有相似的出发点，因此，作者旨在将单原子催化剂和Me-N-C材料相结合，利用N掺杂的C材料稳定具有高表面自由能的单原子，达到制备高负载单原子的目的。

小编评述：单原子的稳定存在对其表面化学环境其实有很高的要求。

常规的单原子催化剂之所以负载量非常低，主要也是为了让这些单原子尽可能分散，利用载体等环境将单原子稳定住。

单原子催化剂制备方法的研究进展

单原子催化剂制备方法的研究进展目录1. 内容综述 (2)1.1 单原子催化剂的优势及应用前景 (3)1.2 文献综述 (5)2. 单原子催化剂制备方法综述 (6)2.1 工艺分类 (7)2.1.1 溶液相法 (9)2.1.2 气相法 (9)2.1.3 固相法 (11)2.2 各类方法的原理及特点 (12)2.2.1 溶液相法 (14)2.2.2 气相法 (15)2.2.3 固相法 (16)2.3 影响单原子催化剂性能的因素 (17)2.3.1 金属种类 (19)2.3.2 载体材料 (20)2.3.3 催化剂结构及尺寸 (22)3. 先进制备技术及发展趋势 (23)3.1 原位合成技术 (25)3.2 人工智能辅助催化剂设计 (26)3.3 多功能单原子催化剂 (28)3.4 单原子催化剂的规模化制备 (30)4. 总结与展望 (31)4.1 单原子催化剂研究面临的挑战 (33)4.2 基于单原子催化剂的未来发展方向 (34)5. 文献引用 (35)1. 内容综述单原子催化剂(SACs)是指在载体表面上仅含有一个活性中心的催化剂系统，其特点是活性中心原子之间的距离非常大，从而避免了金属原子间的直接接触并抑制了金属粒子的团聚，确保了催化剂的高活性、稳定性和很好的选择性。

SACs 由于其独特的物理和化学性质，在能源转换、环境净化、生物合成等领域展现出巨大的应用潜力，已成为催化科学研究的热点之一。

SACs的制备方法主要包括浸渍法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法、电化学沉积法、模板法、自组装法、生物自组装法等。

每种方法都有其特定的特点和适用条件，浸渍法通过将金属前体溶液与载体原料混合，在适当的条件下使金属前体转化成单原子状态，该方法操作简便、成本较低，是目前研究中使用最为广泛的制备方法之一。

化学气相沉积法则利用气态的金属有机前体在高温下生长单原子层或单原子纳米粒子，适用于制备具有较高分散性和可控单原子活性中心的催化剂。

单原子催化剂的制备及电催化应用研究进展

单原子催化剂的制备及电催化应用研究进展单原子催化剂的制备及电催化应用研究进展随着环境保护意识的增强和能源资源的紧缺，新能源的开发和利用已经成为一个全球性的问题。

电化学催化反应是一种有效的能源转换方法，电催化剂作为反应的关键组成部分，对电催化反应的性能具有重要影响。

随着材料科学和纳米科技的不断发展，单原子催化剂逐渐成为一个备受关注的研究领域，并在电催化反应中发挥了重要作用。

一、单原子催化剂的制备方法目前，常见的单原子催化剂的制备方法主要有以下几种：1.单原子沉积法是一种基于溶液化学还原法，将金属离子还原成原子并使用适当的还原剂将其沉积在载体表面制备单原子催化剂。

该方法的优点是操作简便，可以制备多种金属的单原子催化剂，但其缺点是制备过程中需要使用还原剂，产生有毒废物和大量氢气，容易引起安全问题。

2.分离法该方法通过制备带有非常小孔隙的载体，在载体表面分离原子，从而制备单原子催化剂。

使用较新的制备技术，如化学气相沉积法和化学涂布法，并根据载体的性质进行适当的处理。

这种方法的优点是可以制备高度稳定且具有优异催化性能的单原子催化剂，但其缺点是需要特殊的有机合成前驱体，制备成本较高。

3.溶剂热法将金属离子溶解在非水溶剂中，在高温下进行热处理，使用有机配体来稳定原子并沉积在载体表面制备单原子催化剂。

该方法的优点是可以制备多种金属的高度稳定的单原子催化剂，但其缺点是需要使用有机配体，会产生有机废物。

二、单原子催化剂的电催化应用单原子催化剂在电催化反应中具有独特的优点，如高效率、高稳定性、可控性和选择性等，因此被广泛应用于能源转换和环境保护等方面。

1.氧还原反应氧还原反应是一种能源转换反应，单原子催化剂在其催化过程中具有高活性和较好的稳定性。

例如，制备一种带有单个铂原子的非晶碳催化剂可以实现更高的活性和稳定性，具有广泛的应用前景。

2. CO2还原反应CO2还原反应是一种有潜力的环境保护反应，单原子催化剂可以实现可以按需定制的催化活性，具有更高的选择性和稳定性。

单原子与团簇协同催化催化剂

单原子与团簇协同催化催化剂随着工业技术的发展和环境问题的日益严重，催化剂在化工领域中扮演着重要的角色。

它们能够降低化学反应的活化能，提高反应速率，从而节约能源、降低生产成本、减少环境污染。

近年来，单原子与团簇协同催化催化剂成为了催化剂领域的研究热点之一，其在催化性能、催化机理以及反应选择性方面呈现出了独特的优势。

本文将对单原子、团簇及其协同催化催化剂进行详细介绍，并就其在工业生产和环境保护方面的应用前景进行展望。

一、单原子催化剂1.单原子的定义和特点单原子催化剂是指将金属原子单一地分散在载体上，其粒径通常在单数字的纳米尺度范围内。

相比于传统的合金或纳米颗粒催化剂，单原子催化剂具有以下几个显著的特点：（1）活性位点多：单原子催化剂中所含的金属原子数目决定了其具有非常多的活性位点，这些活性位点对反应物质的吸附、解离和反应具有更高的选择性和活性。

（2）结构稳定：由于金属原子单一地分散在载体上，单原子催化剂具有非常高的结构稳定性，不易发生团聚和积聚，从而保持了其优异的催化性能。

（3）表面活性高：单原子催化剂由于其纳米尺度的粒径和高度分散的特点，使其表面活性质更高，从而提高了反应的速率和选择性。

2.单原子催化剂的合成方法目前，单原子催化剂的制备方法主要包括物理气相沉积、化学气相沉积、原位合成以及原子层沉积等。

其中，原子层沉积（ALD）是目前制备高度分散单原子催化剂的最为常用的方法之一。

该方法通过将金属前体的有机物和气态气氛手段在载体表面逐层反应成分子薄膜的方式，制备出具有高度分散和均一分布的单原子催化剂。

3.单原子催化剂的应用单原子催化剂因其具有高活性位点、稳定性和高选择性等优点，在多种领域中都有着广泛的应用。

例如，在氧还原反应（ORR）、氢气化反应（HCR）、氧化甲烷反应（OMR）、氧化还原反应（REDOX）等方面展现出了优异的催化性能。

二、团簇催化剂1.团簇的定义和特点团簇催化剂是将数个原子或分子聚集成为一个团簇的催化剂。

高负载量的单原子催化剂

高负载量的单原子催化剂
单原子催化剂是一种催化剂，其活性中心仅由单个金属原子组成。

这种催化剂通常具有高的表面活性位点密度，提供更多的催化活性位点，因此在催化反应中表现出色。

对于高负载量的单原子催化剂，通常指的是在催化剂载体上负载更多的单原子活性位点。

以下是关于高负载量的单原子催化剂的一些特点和应用：
1.高表面活性位点密度：高负载量的单原子催化剂在催化剂载体上分散了更多的单原子金属活性位点，提高了表面活性位点密度。

这可以提高催化剂的催化性能，增加反应速率和选择性。

2.催化活性和选择性提高：高负载量的单原子催化剂通过增加单原子活性位点的数量，提高了催化活性和选择性。

这对于一些复杂的催化反应，如氧还原反应、氢气生成等，具有重要的意义。

3.催化剂稳定性提高：单原子催化剂的高负载量通常伴随着较好的稳定性，因为单原子活性位点之间的相互影响较小。

这有助于延长催化剂的寿命，提高长期应用中的稳定性。

4.应用领域：高负载量的单原子催化剂在诸如能源转化、环境保护、电催化等领域具有广泛的应用。

例如，单原子金属催化剂在氧还原反应中具有优越的性能，对于燃料电池等能源转化技术有潜在的应用。

5.催化剂设计和合成：高负载量的单原子催化剂的设计和合成是一个挑战性的任务。

需要精确控制单原子的负载量、分散度和活性
位点的结构，通常需要先进的合成技术和表征手段。

总体而言，高负载量的单原子催化剂在提高催化性能、选择性和稳定性方面具有潜在的优势，对于推动绿色、高效催化技术的发展有着重要作用。

单原子催化剂-热稳定性单原子催化剂

单原子催化剂-热稳定性单原子催化剂纳米原子催化1.什么是单原子催化？单原子催化由张涛、李隽及刘景月教授于2011年共同提出以来，相关文章发表量逐年增加，已成为一个相当热门的催化前沿领域。

单原子催化即活性金属以单个原子的形式负载于载体表面，并主要是通过与异原子键合方式联接在载体表面，金属原子的配位环境可能不完全一致当每一个单分散的活性金属原子配位环境完全一致时，单原子催化也是单位点催化。

单原子催化剂并不是指单个零价的金属原子是活性中心，单原子也与载体的其他原子发生电子转移等配位作用，往往呈现一定的电荷性，金属原子与周边配位原子协同作用是催化剂高活性的主要原因。

图一单原子催化2. 单原子催化的意义是什么？尽管纳米颗粒催化剂己经广泛应用于工业催化，由于贵金属如Pt，Pd, Au, Rh 等的稀缺性和高昂价格，严重增加生产成本。

因此降低贵金属的负载量以降低催化剂成本同时提升金属纳米颗粒的活性、选择性和稳定性成为科研者们奋斗目标。

降低金属负载量的主要表现是减小颗粒尺寸，具体可以在以下方面（图二）调控其本征行为而提高催化效率：⚫表面效应，其中金属纳米颗粒的不饱和配位键增加；⚫量子尺寸效应，其中电子的约束导致能级增加和前线轨道隙增大；⚫金属－载体相互作用，金属与载体之间的化学键增强会使得电荷转移更容易进行；团簇局域环境，其中原子的数量和空间位置可以彻底改变其理化性质。

小的金属纳米颗粒或团簇通常会因为尺寸效应显示出复杂的反应特征。

金属单原子与载体一起构成了新的催化剂家族，其特征是具有最大的原子利用率和确定的活性中心。

这些单原子催化位点以配位键合的方式被锚定在固态载体上。

孤立金属位点的原子利用率接近100％，这是一个很大的优势，尤其是对于贵金属基催化剂。

除了可以大大提高原子效率，单原子催化剂的另一个重要特点金属中心在载体上是空间上隔离的，并且载体对整体的催化性能具有巨大影响。

单原子催化剂具有孤立的金属原子作为活性位点，周围固相载体的配位位点将其锚定。

中科院大连化物所单原子催化剂研究取得新进展

３优化措施
① 原料优化。加强上游装置对石脑油干点的控
制，稳定石脑油干点，尽量避免因干点大幅波动，致
使石脑油携带重组分，造成重整催化剂异常积碳。 ② 再生系统优化控制。石脑油干点稳定后，调整合
操作，避免因预处理波动造成催化剂中毒。同时，减
少其他系统对反应系统的影响，例如高水冲击。⑥ 择机改造再生脱氯系统，改为可单罐在线切除模式，在一个罐脱氯剂穿透时，单独切除换剂，不需再生系统停工。⑦提高职工精细化操作意识，使装置运行平稳率提高，减少各系统间的波动，使催化剂活性始
［２］李成栋．催化重整装置技术问答［Ｍ］．北京：中国石化
出版社．２００４．
中科院大连化物所单原子催化剂研究取得新进展
近日，中科院大连化物所在单原子催化研究
剂相当。
方面取得新进展，首次发现单原子催化剂具有与均相催化剂相当的活性，从实验上证明单原子可
终处于良性循环状态。
炉容易受管网瓦斯的影响，造成反应温度的大幅波动，反应温度高时，容易造成催化剂局部积碳加速，
影响催化剂活性。
４结论
通过对影响催化剂活性的因素进行分析，总结出操作中的优化措施，减少对重整催化剂活性的影响，使催化剂活性始终处于良性循环状态，保证装置大处理量、长周期运行，取得了良好的经济效益。若

单原子催化剂在有机合成中的应用

单原子催化剂在有机合成中的应用随着化学领域的不断发展，单原子催化剂作为一种新型催化剂，正逐渐受到研究者的关注。

单原子催化剂具有高活性、高选择性和高稳定性等优点，因此在有机合成中有着广泛的应用前景。

本文将从催化剂的定义、单原子催化剂的特点以及其在有机合成中的应用等方面进行探讨。

首先，我们先来了解一下催化剂的定义。

催化剂是一种能够加速化学反应速率的物质，而在反应结束后能够保持其本身不发生变化。

催化剂通过降低反应的活化能，提高反应速率，从而实现有效的催化作用。

传统的催化剂通常是由金属或合金组成的，而单原子催化剂则是指由单个原子组成的催化剂。

单原子催化剂具有独特的特点，这也是其在有机合成中应用的重要原因之一。

首先，单原子催化剂具有高活性。

由于其表面上只有一个活性位点，因此其反应活性远高于传统催化剂。

其次，单原子催化剂具有高选择性。

由于其反应位点的单一性，可以实现对特定反应物的高选择性催化。

此外，单原子催化剂还具有高稳定性，能够在高温、高压等恶劣条件下保持其催化性能。

在有机合成中，单原子催化剂可以应用于多种反应类型。

其中之一是氧化反应。

单原子催化剂可以催化有机物的氧化反应，将有机物中的氢原子氧化为羟基等官能团。

这种反应在有机合成中具有重要的地位，可以用于合成醇、醛、酮等化合物。

单原子催化剂的高活性和高选择性使得这些反应可以在较温和的条件下进行，从而提高了反应的效率和产率。

此外，单原子催化剂还可以应用于还原反应。

还原反应是有机合成中常见的反应类型，可以将有机物中的官能团还原为较低氧化态。

单原子催化剂可以催化还原反应，将有机物中的羰基还原为醇等化合物。

这种反应具有重要的合成价值，可以用于合成醇、醛、酮等有机化合物。

单原子催化剂的高活性和高选择性使得这些反应可以在较温和的条件下进行，从而提高了反应的效率和产率。

此外，单原子催化剂还可以应用于碳-碳键形成反应。

碳-碳键形成反应是有机合成中的关键步骤，可以用于构建复杂有机分子的骨架。

al2o3高温pt迁移单原子nature

Al2O3高温Pt迁移单原子Nature1. 研究背景在催化剂领域，Platinum（Pt）是一种广泛应用的催化剂材料，不仅在氢化反应和氧化反应中具有良好的催化性能，而且在汽车尾气处理领域也有重要应用。

然而，Pt催化剂在高温下易发生迁移，导致其催化性能的下降，因此研究Pt在高温下的迁移行为具有重要意义。

2. 研究内容近日，研究人员在Nature杂志上发表了一项关于Al2O3高温Pt迁移单原子的研究成果。

研究人员采用原位环境透射电子显微镜（TEM）技术，观察了Pt单原子在Al2O3表面的高温迁移行为，并提出了相应的机制解释。

3. 研究方法研究人员首先制备了Pt单原子催化剂样品，并通过透射电子显微镜对其进行原位观察。

在高温条件下，他们观察到Pt单原子在Al2O3表面出现了迁移现象，并通过实验证实了Pt单原子的迁移速率随着温度的升高而加快。

研究人员还对Pt单原子迁移的机制进行了理论模拟，并提出了相应的解释。

4. 研究结果研究结果表明，Al2O3表面的Pt单原子在高温条件下会发生迁移，而且迁移速率随温度升高而增加。

研究人员进一步揭示了Pt单原子迁移的机制，认为其与表面氧空位的存在有关。

他们提出了类似于扩散的机制，并给出了相关的理论模拟结果，进一步验证了其观点。

5. 研究意义这项研究成果对Pt催化剂的设计和应用具有重要意义。

通过深入了解Pt单原子在高温条件下的迁移行为，研究人员可以更好地设计稳定的Pt催化剂，并优化其应用性能。

该研究还为理解金属单原子在高温条件下的表面行为提供了新的思路和方法。

6. 结论通过原位环境透射电子显微镜技术的应用，研究人员在Al2O3高温Pt 迁移单原子的研究中取得了重要进展，揭示了Pt单原子在高温条件下的迁移行为及其机制。

这一研究成果为Pt催化剂的设计和应用提供了重要的理论基础和实验指导，对于推动催化剂领域的发展具有重要意义。

以上就是这篇Nature文章的相关内容，如果有任何问题，欢迎大家与我们进行讨论。

大连化物所制出活性比传统纳米催化剂高3倍的“单原子”铂催化剂

大连化物所制出活性比传统纳米催化剂高3倍的“单原子”
铂催化剂
佚名
【期刊名称】《中国粉体工业》
【年(卷),期】2011(000)004
【摘要】近期,中科院大连化学物理研究所张涛研究员领导的航天催化与新材料研究组在多年研究高分散催化剂的基础上,以氧化铁为载体成功制备出首例具有实用意义的＂单原子＂铂催化剂。

以一氧化碳氧化和富氢气氛下一氧化碳选择氧化为探针反应，证明该单原子催化剂具有非常高的催化活性和稳定性，其催化活性是传统纳米催化剂的2～3倍。

【总页数】1页(P52-52)
【正文语种】中文
【中图分类】O643.36
【相关文献】
1.大连化物所纳米石墨烯限域单原子铁催化剂研究取得新进展 [J],
2.我科学家在全球率先制备出单原子铂催化剂——将大大降低贵金属催化剂成本[J],
3.大连化物所制备出高温稳定的高载量单原子催化剂 [J], ;
4.我国科学家在全球率先制备出单原子铂催化剂将大大降低贵金属催化剂成本 [J],
5.大连化物所二维纳米材料限域单原子催化剂研究取得新进展 [J],
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张涛院士课题组合成出单原子Rh催化剂，活性赶超均相催化

张涛院士课题组合成出单原子Rh催化剂，活性赶超均相催化近日大化所的张涛院士课题组合成出单原子Rh催化剂（Rh/ZnO NW）。

该催化剂的合成方法很简单：将购买的纳米线ZnO分散于水中，再滴加RhCl33H2O的水溶液，负载后沉淀干燥，使用前在还原气氛下焙烧一段时间即可。

当负载量为0.03 %或0.006 %时，其对于烯烃的加氢甲酰化反应的催化活性超过同等条件下的均相催化剂。

催化效果如下：从Table 1中可以发现，Entry 3/4的TON比经典Wilkinson(Entry 2)均相催化剂的TON还要高。

而且选择性也接近100 %。

文中报道高催化活性来自催化剂中的单分散Rh原子。

对于单原子的表征，最常见的方法是球差HAADF - STEM。

本文除电镜外，还利用了原位傅里叶变换红外漫反射光谱（DRIFTS）来确定单原子的存在。

对于DRIFTS的具体介绍如下：DRIFTS介绍：我们公众号曾经介绍过紫外可见漫反射光谱，DRIFTS的原理和紫外可见漫反射光谱的原理基本相同（紫外可见漫反射光谱基本原理）。

在原位DRIFTS表征中，首先催化剂吸附一层CO分子，然后根据表面红外漫反射原理来探测催化剂表面C=O键的振动情况。

通过不同的振动吸收峰可以得知催化剂表面原子分布情况。

对于Rh负载催化剂，表面CO的吸附物质可以分为三类：物种I（~ 2101 cm-1、2031 cm-1）：两个CO吸附在同一个Rh原子上。

研究表明这种结构只有在Rh原子呈现单原子分散时才会出现。

同时物种I所对应的吸收峰并不随CO覆盖量的变化而产生峰位的偏移。

物种 II （~ 2070 cm-1）：CO与Rh以一对一的线性方式结合。

物种 III （~ 1870 cm-1）：一个CO与两个Rh原子相连，形成桥式连接方式。

当表面Rh原子数目不断增加，Rh原子与Rh原子之间产生相互作用，便会产生II、III两种结合方式。

这两种结合方式的特点是：随着CO覆盖量的增加、吸收峰将有一定的红移。