Nature Nanotechnology：23wt%超高密度单原子，竟可实现自动化千克级生产！

要点速览

1.介绍了一种通用且可扩展的两步退火方法，用于在具有不同化学性质的载体上制备超过 15 种过渡金属的单金属或多金属的高载量单原子催化剂（HD-SAC），例如以掺氮碳 (NC)、聚合碳氮化物（PCN）和金属氧化物为载体。该方法依赖于控制从金属前体中去除配体，再进一步与载体相互作用。

2. 通过电感耦合等离子体原子发射光谱 (ICP-AES) 分析表明，对于所有研究的金属，两步退火方法在 NC 和 PCN 载体上实现了高于 10 wt% 的金属含量，在一些情况下超过了 20 wt%。当使用 CeO2 作为载体时，金属负载量会降低 2% 到 10% wt%，这是由于金属相对于碳基材料的相对分子量更高。为了提供一个通用的比较基础，在聚合碳氮化物（PCN）载体上，对每平方纳米原子的表面积密度进行评估，观察到第一行过渡金属（>9 个原子/nm2）、第二行过渡金属（~6 个原子/nm2）和第三行过渡金属（<5 个原子/nm2）的高分散值。

3. 将两步退火方法转化为自动化合成方案，使用机器人平台精确控制，实现可重复、可扩展性制备，简单的单元操作很容易转化为超高单原子催化剂（UHD-SAC）的千克级生产，所得材料的性能没有明显差异。

4. 评估了代表性 UHD-SAC 在支持的单原子显示出有前景的技术潜力的应用中的催化性能，以镍单原子将二氧化碳电化学还原为一氧化碳为例，线性扫描伏安法 (LSV) 曲线显示 UHD Ni1/NC 上的电流密度明显高于低密度 Ni1/NC。且尽管 UHD Ni1/NC 催化剂中的镍含量比低密度 Ni1/NC 催化剂高十倍，但它保持了对 CO 的高选择性，从而凸显主要优势，由于镍活性物质的丰度高，可提供更高的 CO 部分电流密度。

5.这项工作建立的可扩展湿化学方法，可在化学性质不同的载体上跨越广泛的过渡金属制备 UHD-SAC，提供了单原子催化剂在可持续化学和能源转化中的新见解。

原文链接

https://doi.org/10.1038/s41565-021-01022-y.

前言导读

提高参与化学反应的原子经济性，并确保最大限度地利用稀有催化材料是化学可持续发展的核心目标。多相单原子催化剂 (SAC) 将单分散原子金属中心与可定制的配位环境相结合，展现了在能源催化中实现这两个目标的潜力。

但这类开创性的催化剂面临的一个根本挑战是缺乏能够制备具有高表面原子密度催化剂的合成路线，从而提升对于大规模工艺中每单位反应器体积或面积的生产率。以镍单原子为例，它在二氧化碳电还原中表现出高选择性，然而迄今为止报道的大多数材料都是碳基材料，金属含量约为 1 wt%，少数可达 7 wt%，这些值都明显低于载体锚定金属原子的预期理论容量。

在针对 SAC 报道的不同合成策略中，通过浸渍等湿沉积途径合成后引入金属是最适合放大的方法之一。浸渍法利于表面定位，不像热解等直接合成方法，其中大部分活性相可能会嵌入大量载体材料中。然而，当引入高金属含量时，很难防止金属物质不希望地聚集成簇和纳米颗粒，尤其是在应用常规热处理以去除常见金属前体中的反离子后。

通过避免金属盐沉淀或使用平衡吸附来避免这种情况的策略通常会限制沉积在载体上的量。没有已发表的研究通过后合成途径实现超高密度 (UHD) SAC（本文定义为碳基催化剂的金属含量超过 10 wt%），或证明其在催化应用中的生产率提高。

另一个鲜为人知的方面是多金属系统的扩展，这与技术催化剂的开发相关，因为它们通常包含两种或多种金属，例如作为助催化剂、促进剂或稳定剂。除了为金属原子选择具有丰富表面锚定位点的载体之外，在分子水平上的合成机制仍然知之甚少。

图文速读

图1. UHD-SACs 的合成

图2. UHD-SACs的可视化和光谱表征。

图3. 多金属UHD-SACs的可视化。

图4. 自动合成方案。

图5.UHD-SACs 合成的机理研究。

图6.UHD-SACs的催化性能。