單原子催化
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
單原子催化的實例教程
【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 Hyperion氦舶科技初期選擇從兩個行業切入應用市場：一是研發和生產高性能電子印刷化學品，主要應用于半導體、電子標簽、光伏、顯示/觸控、柔性電子、敏感元件等領域；二是研發和生產單原子催化材料，并可應用于新風系統、綠色建筑和工業處理上。
CEO黃翟告訴36氪，之所以選擇高性能電子印刷化學品行業切入，是因為這個市場被國外材料巨頭壟斷，如杜邦、賀利氏等，國內企業生產的大多是低端產品，在印刷性能、穩定性、精密程度等方面均落后國外同類產品。Hyperion氦舶科技關注的另一個方向是單原子催化劑的研發和生產。在工業催化領域，單原子材料被譽為未來催化材料的發展方向。材料在催化過程中能夠擁有接近100%的原子利用率，且擁有極高的催化選擇性。但單原子催化材料的研究多處于學術階段，Hyperion氦舶科技是首家具備穩定規模化生產單原子催化材料能力的公司。
在包括導電漿料、導電油墨等高性能電子印刷化學品行業，Hyperion氦舶科技率先開發出了3D+銀基復合材料合成技術及特殊形態微納米銀粉制備工藝，能夠大幅度提升產品的導電性能和印刷性能，可用于高性能導電漿料、導電油墨、納米銀墨水的制備。
黃翟告訴36氪，目前公司所研發的基于銀/銀銅復合物/碳的多種導電油墨性能達到國際領先水平，適用于電子標簽（RFID）、柔性電子印刷品、透明導電膜、觸摸屏等領域高端需求市場。針對電子印刷化學品市場，Hyperion氦舶科技的高端產品會走定制化路線，低端產品會走標品路線。面向高端大B客戶時，除了前期產品方案的設計和生產，在后期加工過程他們也會提供咨詢和調試服務。
在單原子催化劑領域，Hyperion氦舶科技目前已完成超過12種金屬材料的單原子級別工藝制備，公司涉及的單原子催化材料潛在應用涵蓋基礎工業原材料合成、污染物降解、藥物催化合成、動力電池電極材料、石墨烯材料生長、儲能材料等多個重要工業領域。
展開 工業上，普遍采用鈷鹽催化環己烷氧化工藝，為確保較高的目標產物選擇性，環己烷轉化率控制在5%以下，增大了物耗、能耗，且均相催化導致催化劑難分離。制備高效的多相催化劑，是解決上述的關鍵。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。
成果簡介
本工作以石墨型氮化碳（g-C3N4）為載體，利用其特有的六方空腔的限域效應和吡啶氮的電負性，采用簡單的靜電吸附方法實現Co原子級分散于g-C3N4表面（Co/g-C3N4）。XAFS、XPS、CO-FTIR結果表明，Co原子與表層兩相鄰吡啶氮以及亞層一吡啶氮配位，價態位于0和+2價之間（圖1）。O2-TPD和DFT計算結果顯示，單原子Co對O2有強的吸附及解離能力。
圖1. Co K-edge的（a）XANES 譜,（b）傅里葉變換R空間和（c）小波變換EXAFS譜。（d）Co/g-C3N4的Co K-edge的k、R空間實驗和擬合的EXAFS譜，（e）Co/g-C3N4的結構模型（淺藍色、紅色、灰色、藍色分別代表表層的Co、O、C、N，黃色代表其他層的原子）。
反應結果表明，盡管Co/g-C3N4中單原子Co負載量僅為0.9 wt‰，但對環己烷氧化顯示出了較為優異的催化性能（24%的轉化率和96%的選擇性）。
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。基于此，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。
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? 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。
導讀
近日，CNRS/圖盧茲第三大學（CNRS/Université Toulouse III-Paul Sabatier）Sami Lakhdar課題組與亞琛工業大學（RWTH Aachen University）Daniele Leonori課題組發展了基于鹵原子轉移和基團轉移化學，在溫和條件下實現了烷基和芳基鹵化物以及醇和硫醇衍生物的活化
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。
金屬氧化物單軸壓縮原子模擬
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