近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所航天催化與新材料研究中心喬波濤研究員和張濤院士團(tuán)隊在單原子催化方面取得新進(jìn)展：利用金屬-載體共價強(qiáng)相互作用（strong covalent metal-support interaction）成功制備出耐高溫的高載量鉑單原子催化劑。相關(guān)成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nat. Commun.，2019，10，234）上。
2011年，張濤研究團(tuán)隊與清華大學(xué)李雋教授以及美國亞利桑那大學(xué)劉景月教授合作，在國際上首次報道了單原子催化劑的制備與性能，并在此基礎(chǔ)上提出了“單原子催化”的概念（Nat. Chem.，2011，3，634）。當(dāng)金屬以原子級別分散于載體上形成單原子催化劑時，會表現(xiàn)出許多異于負(fù)載型納米顆粒催化劑的特性，例如金屬利用率達(dá)到最大、金屬載體界面最大化（Angew. Chem. Int. Ed.，2018，57，7795）、活性位組成結(jié)構(gòu)均一、有望溝通均相與多相催化(Angew. Chem. Int. Ed.，2016，55，16054）等。但是高度分散的金屬原子同時也具有較高的表面能和熱力學(xué)不穩(wěn)定性，特別在高溫條件下趨向于聚集成金屬團(tuán)簇甚至納米顆粒，因此通常需要載體表面配位不飽和的缺陷位點(diǎn)（coordinatively unsaturated sites）來錨定金屬原子，但是金屬氧化物載體通常表面缺陷數(shù)量較少，難以得到高溫穩(wěn)定的高載量單原子催化劑。
該團(tuán)隊在長期探索單原子催化劑的制備和穩(wěn)定機(jī)制（ACS Catal.，2015，5，6249； Nano Res.，2015，8，2913）的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)以共沉淀法制備的Pt1/FeOx單原子催化劑在800 高溫焙燒后依然完全保持原子級分散，證明金屬與載體之間的強(qiáng)相互作用使單原子催化劑具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。據(jù)此提出依靠金屬-載體共價強(qiáng)相互作用來穩(wěn)定活性金屬，有望使單原子催化劑徹底擺脫載體缺陷位數(shù)量對金屬載量的限制。實(shí)驗(yàn)證明，負(fù)載在氧化鐵載體上的Pt納米顆粒，在空氣中高溫焙燒即可得到鉑單原子催化劑，質(zhì)量負(fù)載量可達(dá)1%。對照實(shí)驗(yàn)和理論計算說明鉑納米顆粒受熱分散并穩(wěn)定成單原子的現(xiàn)象與載體表面的缺陷無關(guān)，而是取決于載體本身的性質(zhì)。在可還原氧化物載體（Fe2O3）上，鉑納米顆粒焙燒后會自發(fā)分散成單原子，而在非還原性載體（Al2O3）上，鉑納米顆粒受熱將團(tuán)聚成更大的顆粒。把氧化鐵摻雜到氧化鋁載體中可有效調(diào)節(jié)載體與金屬的相互作用，有利于Pt納米顆粒的熱分散。在甲烷催化燃燒反應(yīng)過程中，氧化鐵負(fù)載的Pt納米顆粒原位轉(zhuǎn)化成Pt單原子催化劑，并表現(xiàn)出良好的催化活性和熱穩(wěn)定性。該工作揭示了負(fù)載型納米顆粒催化劑熱解分散成單原子催化劑的過程，初步探索了金屬-載體共價強(qiáng)相互作用對活性金屬的穩(wěn)定機(jī)制，為設(shè)計耐高溫、高載量的單原子催化體系提供了理論依據(jù)和重要借鑒。
大連化物所制備出高溫穩(wěn)定的高載量單原子催化劑
該研究工作是與李雋以及天津理工大學(xué)羅俊教授等合作完成。該研究得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“納米科技”重點(diǎn)專項和潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金等項目的資助。此外，這也是獻(xiàn)禮我所七十周年所慶文章之一。（文/圖 郎睿）
