單原子催化劑
關注創建者：匿名 創建時間：2021-10-28
單原子催化劑的實例教程
【引言】
單原子催化劑的活性中心僅局限于單原子中心本身嗎？除了作為穩定單原子中心的配體，單原子催化劑的載體是否還扮演其他重要角色？最近，一項研究提出了單原子催化劑載體促進催化反應的鄰近效應，揭示了金屬氧化物載體可以直接參與催化底物的活化，大幅提升單原子催化劑的活性。Science Bulletin 2018年第11期封面文章報道了這一研究。
【成果簡介】
單原子催化是催化科學新興的前沿發展領域，但領域內仍有許多基礎問題亟待梳理與回答。例如，單原子催化劑是否擁有比納米顆粒表面原子具有更高的活性？為何將同一金屬原子分散于不同載體所得到的單原子催化劑的活性會有很大差別？單原子催化劑的活性中心局限于單原子中心嗎？最近一項研究揭示了單原子催化劑的金屬氧化物載體除了扮演穩定催化金屬中心的配體角色以外，其上與單原子分散金屬中心鄰近的金屬原子還有可能直接參與反應物的活化、參與催化反應，形成提升催化性能的顯著鄰近效應。相關研究結果以題為“A vicinal effect for promoting catalysis of Pd1/TiO2: supports of atomically dispersed catalysts play more roles than simply serving as ligands”的論文發表于2018年第11期 Science Bulletin（封面文章），由廈門大學鄭南峰教授擔任通訊作者撰寫。
研究者在前期工作（Science, 2016, 352: 797-800）的基礎上，深入考察了兩種具有不同微觀配位結構的單原子鈀催化劑（負載于不同表面性質的TiO2載體上），發現盡管它們的電子性質非常相近，但催化性能卻差別巨大。
展開 【小結】
綜上所述，該工作首次報道了利用固相熱擴散策略從塊體金屬直接制備單原子催化劑，并可以實現催化劑的大規模制備。該催化劑可直接用于CO2電還原，而無需使用導電基材和絕緣聚合物粘合劑。CO的FE在寬工作電位（-0.7至-1.2 V vs. RHE）下保持在90％以上。總之，這種方法為直接從非貴重材料構建高效穩定的催化劑提供了依據，為其他高效單原子催化劑的設計制備和放大應用提供了新的思路。
上述研究工作得到國家自然科學基金、國家科技部等項目的資助和支持。
文獻鏈接：Solid-Diffusion Synthesis of Single-Atom Catalysts Directly from Bulk Metal for Efficient CO2 Reduction（Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.11.008）
展開 題目：單原子分散的Ir-N-C燃料電池陽極抗中毒催化劑
作者：王 顯，楊小龍，馬榮鵬，劉長鵬，葛君杰 * ，邢 巍 *
文章鏈接：
http://yyhx.ciac.jl.cn/CN/10.19894/j.issn.1000-0518.210477
DOI：10.19894/j.issn.1000-0518.210477
研究背景
直接甲酸燃料電池（DFAFC）理論開路高、安全性好、對全氟磺酸聚四氟乙烯共聚物（Nafion）滲透率低，被認為是最理想的燃料。1973年，Parsons等提出甲酸電氧化（FAOR）反應的雙途徑機制以來，其間接途徑產生的毒化物種CO開始被人們廣泛認知。由于傳統的DFAFC中陽極催化劑多為Pd基催化劑，CO在Pd金屬上的強吸附會導致活性位點被牢牢占據，進而造成電池性能的大幅下降。陽極的毒化問題也成為了目前制約DFAFC發展的主要因素。
近年來，隨著單原子催化劑領域的興起和發展，金屬-氮-碳型單原子催化劑的應用范圍被拓展到甲酸電氧化領域。2020年，李亞棟等報道了2種原子級分散的Ir-N-C催化劑和Rh-N-C催化劑，二者對于FAOR反應具備超高的質量比活性，并且相對于傳統的Pd基催化劑，其穩定性有了突破性的提升。但是，目前單原子催化劑的制備大多數流程復雜、成本高昂且難以大批量制備?；诖?，本文探索了一種可大規模制備的單原子分散的Ir-N-C甲酸電氧化催化劑，該Ir-N-C體系不僅具有高甲酸電氧化能力，還具有強陽極抗中毒特性，這為推動直接甲酸燃料電池的實用化帶來了十分積極的意義。
展開 利用鉑、金、釕等貴金屬光催化分解水被認為是制備氫能的主要路徑之一。然而，由于貴金屬的稀缺性和昂貴的使用成本，在實際應用中存在一定的瓶頸。因此，開發具有成本效益的高活性析氫光催化劑具有重要意義。共軛微孔聚合物（Conjugated microporous polymer, CMP）具有擴展的π共軛結構和固有納米孔隙率，在氣體吸附和分離、能量存儲、多相催化和傳感等方面顯示廣闊的應用前景。但是其作為光催化劑，通常需要昂貴的金屬催化反應才能制備，同時還存在電荷分離效率、催化穩定性待提高等問題。此外，單原子催化劑（Single atom catalyst, SAC）由于最大的原子利用效率和優異的催化反應活性受到了研究者的廣泛關注。CMP具有的豐富納米孔道、高表面積、可調節的能隙和易修飾等優點，為制備金屬負載型SAC提供了獨特的平臺。通過制備CMP單原子催化劑，有望發揮“以一當十”的功效，從而極大地提升光催化產氫效率。
基于以上研究背景，東華大學廖耀祖教授課題組與英國劍橋大學Giorgio Divitini研究員、卡迪夫大學Bo Hou研究員課題組合作，采用齊齊巴賓吡啶反應（Chichibabin pyridine reaction），通過醛酮縮聚設計合成了吡啶基共軛微孔聚合物（Pyridyl conjugated microporous polymer, PCMP）。提出了低溫（150 ℃）氣相沉積策略，在PCMP載體上錨定過渡金屬如鎳（Ni）、鈷（Co）等制備了新型光催化劑。過渡金屬以單原子形式與共軛微孔聚合物中的吡啶氮結合，可對PCMP的能帶結構進行有效調節；同時，金屬單原子使聚合物電荷密度形成離域效應，促進質子吸附。在可見光照射下，PCMP錨定過渡金屬單原子后顯示優異的光催化產氫性能。
展開 然而，ZABs的大規模商業應用仍然存在受到電催化劑性能的阻礙，尤其是在充放電過程中對氧還原反應 (ORR) 和析氧反應 (OER) 的過高過電位。開發高效、低成本且具有優異電催化性能的雙功能電催化劑是非常必要的。
單原子催化劑（SACs），尤其是過渡金屬單原子催化劑（TM-SACs），由于其原子利用率極高，在堿性條件下表現出更好的ORR活性。然而，單金屬TM- SACs 對 OER 仍然不滿意，這是制備高效 ORR/OER 雙功能催化劑過程中的一個巨大挑戰。碳氣凝膠（CA）因其相互連接的孔隙率、高表面積、優異的傳質性能和高導電性而被廣泛接受，是負載活性位點的最佳載體材料之一。在這種情況下，由 CA（Fe-Ni ANC@CA）支持的 Fe-Ni ANCs 可以實現穩定的 OER 活性，同時保持其作為 ZAB 的 ORR 和 OER 的雙功能電催化劑的 ORR 活性。
【摘要】
中國科學院上海高等研究院
Zhengxing Lv
、浙江大學
田鶴研究員
、山東大學
張進濤
/
夏海兵教授
團隊共同
通過優化熱解聚苯胺（
PANI）氣凝膠，成功地制備了
錨定在 N、S 共摻雜碳氣凝膠（Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑）上的 Fe-Ni 合金納米團簇（Fe-Ni ANCs）
。通過在單寧酸 (TA)、Fe
3+
和 Ni
2+
離子的共存下聚合苯胺單體
合成
PANI 水凝膠
，并進行
冷凍干燥。合成 Fe-Ni ANC@NSCA 催化劑的 TA、Fe
3+
和 Ni
2+
離子的最佳摩爾比為 1:2:5，可以
保證二維多孔碳片
，
形成具有 2 至 2.8 nm 之間超小尺寸的高密度 Fe-Ni ANC。
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服務對象
本案例適用于：
? 催化材料（單原子催化劑、合金/氧化物復合體系）
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單原子催化劑，表面離子缺陷態，表面態，d帶中心，催化吸附的軌道相互作用模型
4.3. CP2K的DOS后處理和pDOS計算分析
案例分析：WO3態密度研究
第三天 上午
5. 從頭算分子動力學計算
5.1. AIMD輸入文件
5.2. 軌跡圖的制作
5.3. 結構數據的后處理分析
5.4.
單原子催化劑因其獨特的結構性質以及優越的性能而被廣泛關注，但目前缺少實現金屬活性組分在載體上原子級分散的普適性策略，導致單原子催化劑的合成仍具有挑戰性。
近年來，隨著單原子催化劑領域的興起和發展，金屬-氮-碳型單原子催化劑的應用范圍被拓展到甲酸電氧化領域。2020年，李亞棟等報道了2種原子級分散的Ir-N-C催化劑和Rh-N-C催化劑，二者對于FAOR反應具備超高的質量比活性，并且相對于傳統的Pd基催化劑，其穩定性有了突破性的提升。但是，目前單原子催化劑的制備大多數流程復雜、成本高昂且難以大批量制備。
為此，人們研制出了Pt與過渡金屬合金催化劑、Pt 核殼催化劑、Pt單原子層催化劑，這些催化劑最顯著的變化是利用了 Pt 納米顆粒在幾何空間分布上的調整來減少Pt用量、提高Pt利用率，提高了質量比活性、面積比活性，增強了抗Pt溶解能力。
本平臺轉載文章內容僅供參考，如涉及版權問題，請及時聯系將已刪除。轉載請注明來源。
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與近幾年光催化有機藥物的相關報道相比較，本工作開發出的Fe3O4基W、V雙單原子氧化物光催化劑擁有對環丙沙星和布洛芬的最高降解效率。
蓋世汽車訊 據外媒報道，研究人員使用超級計算機確定一組“單原子”催化劑，可在將二氧化碳轉化為燃料的過程中發揮關鍵作用。這將有助于解決全球變暖的問題。
（圖片來源：昆士蘭科技大學）
昆士蘭科技大學（QUT）科學材料中心的研究人員參與了一項國際研究。
單原子催化劑（SACs），尤其是過渡金屬單原子催化劑（TM-SACs），由于其原子利用率極高，在堿性條件下表現出更好的ORR活性。然而，單金屬TM- SACs 對 OER 仍然不滿意，這是制備高效 ORR/OER 雙功能催化劑過程中的一個巨大挑戰。碳氣凝膠（CA）因其相互連接的孔隙率、高表面積、優異的傳質性能和高導電性而被廣泛接受，是負載活性位點的最佳載體材料之一。
