通用的配体辅助策略大批量合成过渡金属单原子催化剂

　　单原子催化剂是当前催化领域研究前沿，由于其兼具均相和非均相催化剂的综合优势：原子利用率接近100％（类似于均相催化剂），且稳定性高、易于从反应体系中分离（非均相催化剂的特性），在诸多重要的化学反应中展现出了优异的催化性能。然而目前仍缺乏通用的大批量合成系列单原子催化剂的方法。中国科学院理化技术研究所一研究小组对单原子催化剂的合成和催化性能进行了深入研究，相关研究成果发表在2019年10月8日的《Nature Communications》上。 

　　该研究小组发展了一种普适性的单原子催化剂合成方法，成功合成了多种过渡金属单原子催化剂，并利用球差校正扫描透射电子显微镜和扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)谱证明了金属原子在所合成的催化剂中呈单原子状态分散，EXAFS拟合结果表明金属原子在催化剂中形成MN4的结构。该合成方法可以大规模（> 1 kg）生产高金属负载量的单原子催化剂。其中Ni单原子催化剂在二氧化碳电催化还原中展现出优越的催化性能。 

　　利用北京同步辐射装置（BSRF）1W1B-XAFS实验站获得的九种单原子催化剂EXAFS R空间图。九种单原子催化剂在对应的金属键处均没有出现明显的峰，表明在催化剂中没有形成M-M键，并且均在1-2？之间出现了一个峰，对应于M-N键，表明在所合成的九种催化剂中金属原子均与氮配位形成了单原子催化剂。 

　　工作发表后，中科院化学所韩布兴院士以“Large scale synthesis of transition metal single atom catalysts by a universal ligand mediated method”为题在《Chem. Res. Chinese Universities》进行了专门的亮点评论，认为“该工作为大规模合成过渡金属单原子催化剂提供了一条简单、通用的路线，合成的Ni单原子催化剂对CO₂电还原具有很好的活性。这项工作将增强单原子催化剂领域的研究兴趣，预计合成的SACs将用于各种重要的化学转化。”（Chem. Res. Chinese Universities 2019, 35 (6), 951） 

　　该研究结果为大规模制备高金属负载的单原子催化剂，用于CO₂还原、氧还原等催化化学反应提供了材料基础。在此研究工作中，同步辐射光源帮助该研究组确定了金属原子在催化剂中呈单原子分散并确定了金属在催化剂中的配位结构。中国科学院理化技术研究所研究员、该研究组组长张铁锐教授这样描述他们的工作：“未来的单原子催化剂的活性中心结构会有更复杂更精细的调控，在实际的催化反应中，原子周围环境的精细变化的研究也将更具有挑战，因此对单原子催化剂的精细结构进行更深入的解析，同时更深入的理解催化反应机理将具有重要意义。更先进的同步辐射光源将有助于更精确的解析单原子催化剂的结构，从而深入理解反应机理。”

　　发表文章： 

　　Hongzhou Yang, Lu Shang, Qinghua Zhang, Run Shi, Geoffrey I.N. Waterhouse, Lin Gu & Tierui Zhang*, A universal ligand mediated method for large scale synthesis of transition metal single atom catalysts. Nature Communications, 10, 4585 (2019).