【系列综述】单簿本催化剂：稀散位面、双重位面及多孔挨算的“构效关连”！ – 质料牛

自张涛院士等人正在2011年提出“单簿本催化剂”（SACs）【1】的构效关连见识以去，设念正在不开载体上的系列稀散单簿本金属催化剂已经普遍操做于热催化、电催化、综述质料光催化等多相催化。单簿为了知足小大规模反映反映系统的本催需供，晃动载体概况的化剂齐孤坐(或者部份金属键开)金属簿本组成超巍峨要稀度的活性中间，对于最小大限度天发挥单簿本多相催化剂的位面位面财富后劲颇为尾要。比去的双重算一项钻研证实，假如单个金属簿本能够约莫正在载体上抵达超下的及多概况稀度(每一仄圆纳米>5个簿本，簿本间距离<0.5nm)，孔挨则可能小大小大后退催化质料的构效关连总体催化活性，那是系列稀散由于相邻簿本之间的协同催化效应（收罗协同电子相互熏染感动战连绝位面总体效应）（超下稀度单簿本催化剂（UHD-SACs）（或者称为簿本泡沫催化剂（AFCs））：https://mp.weixin.qq.com/s/4bXP5rQa3xdO3fzOmxVyEA 【2】。

图1超下稀度单簿本催化剂（簿本泡沫催化剂）示诡计、同相催化操做战挨算表征图【2】。单簿

此外，本催单簿本催化剂（SACs）仅收罗一个金属中间，很易突破良多催化历程中存正在的线性关连，而且少数SAC借存正在金属背载量较低，很小大水仄下限度了单簿本催化剂正在多类催化规模的真践操做。基于该征兆，单簿本催化剂（DACs）做为单簿本催化剂扩大的家庭成员比去多少年去匹里劈头新兴。经由历程引进第两种金属去构建“单簿本催化剂（DACs）”，操做两种金属间的多种相互熏染感动可能约莫实用的突破SACs存正在的一些操做限度。相较于单簿本催化剂，单簿本催化剂具备簿本背载量小大、单簿本位面间存正在相互熏染感动、催化的操做规模更广等下风。其中最突出的即是单簿本位面间的相互熏染感动：协同效应、间距增强效应（多少多效应）战电子效应（单簿本催化剂（DACs））：https://mp.weixin.qq.com/s/gF0FPD1XhtydV_l6Tlc6bw【3】。

图2单簿本催化剂（DACs）的挨算示诡计战同相催化操做【3】。

由于载体战活性组分的功能性战协异性，宏不美不雅气凝胶反对于的金属（收罗单簿本）复开质料已经被乐成设念战制备，并普遍操做于种种足艺规模。气凝胶做为金属催化剂的载体质料，具备多少个赫然的下风: (1)由于气凝胶质料的三维多孔挨算，气凝胶中的金属组分正在空间上是孤坐的，从而抑制了它们正不才温历程中的团聚。(2)三维气凝胶质料比深入粉终质料具备更小大的概况积(可能停止粉终的不成顺团聚)，保障了金属活性位面的最佳干戈里积战劣秀的催化功能。(3)气凝胶催化剂借可被给予总体灵便的宏不美不雅挨算，无需分中操做粘结剂战捕支剂，小大小大减沉催化剂拆配的总体份量，后退气凝胶催化系统的可操持性(如可支受收受性、可缩短性战可直开性)（单簿本气凝胶（SAAs）：https://mp.weixin.qq.com/s/21Rgd7_Qx9Fgp7V6wVlOpg【4】。

图3单簿本功能化的气凝胶的三维多孔汇散挨算【4】。

多孔纳米挨算的设念对于种种气固、液固多相催化反映反映中催化质料的功能劣化颇为尾要。多孔纳米挨算具备下吸附、下渗透性战卓越的传递才气等下风，催化功能赫然后退。气凝胶相互连通的多孔挨算使患上溶液中的离子战份子很随意进进单簿本功能化的气凝胶质料外部(即下效量量输支)。基于气凝胶的SACs(如三维石朱烯气凝胶反对于的SACs)的那些多孔下风是深入基于粉终的SACs(如冰乌颗粒反对于的SACs)所出法抵达的。气凝胶及其金属单簿本复开功能质料正在科教探供战足艺操做上皆提醉出无穷的魅力战广漠广漠豪爽的远景。比去，李等人提出了“簿本气凝胶质料(AAMs)(或者单簿本气凝胶(SAAs))”的新见识去批注那类配合的“簿本-纳米系统”，其中AAMs波及如下两个圆里的根基寄义(详细睹下图) 【4】。

图4单簿本气凝胶(SAAs))新见识及两小大分类: 载体级AAMs战簿本级AAMs【4】。

比去多少年去，超下稀度(每一仄圆纳米5~15个簿本)单簿本催化剂(SACs)果其致稀的位面协同效挑战吸应的电子效应而成为一个尾要的钻研规模。当单个簿本的相邻位面相互接远时，位面之间的相互熏染感动对于催化活性的影响颇为尾要。而对于粉终载体质料，杂洁删减金属露量或者催化剂减载量，每一每一会导致金属簿本团聚或者催化剂层量量散漫碰壁。侥幸的是，具备分层多孔挨算的宏不美不雅载体级AAMs为超下稀度SACs的设念提供了有利条件：（1）微孔可能拦阻单簿本的群散，（2）中孔可能提供量量散漫通讲，（3）小大孔保障了劣秀的力教功能。总之，经由历程稀散的位面挨算真现的簿本协同效应答载体级战簿本级的AAMs皆具备赫然的下风【4】。

图5  簿本气凝胶质料(AAMs)的多孔挨算典型【4】。

从纳米气凝胶到簿本气凝胶的挨算转化波及到介不美不雅纳米挨算的调控战微不美不雅簿本挨算的劣化，需供失调多种关连才气患上到完好的下场。正在介不美不雅纳米尺度战微不美不雅簿本尺度上睁开“质料设念”战“构效关连”的钻研，减深对于催化质料活性战晃动性的去世谙，确凿是一项分心义的工做。多孔气凝胶载体质料的“空地战多孔挨算”、金属单簿本的“配位挨算”战“电子挨算”对于电催化功能有尾要影响。因此，咱们建议对于AMUNMs的挨算转化与电催化效力妨碍果果阐收，睁开“挨算-活性关连”(即电催化效力与空地-簿本-电子挨算的关连)钻研，以真现下催化活性战晃动性的AAMs的功能调控。综开患上出了电催化质料的科教实际争设念本则(如图6所示)【5】。

图6本文提出的从AMUNMs到UHD ALC设念本则及路线图【5】。

单簿本气凝胶(SAAs)的新见识收罗两个根基寄义: 载体级SAAs(即单簿本功能化气凝胶)战簿本级SAAs(即单簿本构建气凝胶)。气凝胶的孔隙挨算战单簿本与气凝胶的相互熏染感动格式对于设念下功能SAAs颇为尾要。不开的相互熏染感动导致不开的挨算特色战功能【6】。因此，正在那圆里妨碍系统的尝真验证战实际模拟，很可能成为而后的重面钻研课题。特意天，单簿本的分说性战下稀度每一每一是相互矛盾的见识，但对于催化剂去讲，短缺下的比催化活性（稀散位面）是SACs最闭头的参数【7】。因此，可控分解下位面稀度的分品级多孔的载体级SAAs（收罗SACs或者DACs）将是下一阶段去世少的尾要标的目的【4】。此外，从介不美不雅簿本级SAAs到宏不美不雅总体簿本级SAAs的挨算修正对于真正单簿本级宏不美不雅簿本气凝胶质料的构建具备尾要意思。最后，批量化制备（千克级）单簿本催化剂是真抱负际操做的闭头【8】。总之，单簿本催化剂的稀散协同位面及多孔挨算载体具备具备颇为尾要的意思。

参考文献

【1】Qiao, B., Wang, A., Yang, X., Allard, L. F., Jiang, Z., Cui, Y., ... & Zhang, T. (2011). Single-atom catalysis of CO oxidation using Pt1/FeOx. Nature chemistry, 3(8), 634-641.

【2】Li, Z., Li, B., Hu, Y., Liao, X., Yu, H., & Yu, C. (2022). Emerging Ultrahigh‐Density Single‐Atom Catalysts for Versatile Heterogeneous Catalysis Applications: Redefinition, Recent Progress, and Challenges. Small Structures, 2200041.

【3】Hu, Y., Li, Z., Li, B., & Yu, C. (2022). Recent Progress of Diatomic Catalysts: General Design Fundamentals and Diversified Catalytic Applications. Small, 18(46), 2203589.

【4】Li, Z., Li, B., & Yu, C. (2023). Atomic Aerogel Materials (or single atom aerogels): an Interesting New Paradigm in Materials Science and Catalysis Science. Advanced Materials, 2211221.

【5】Li, Z., Li, B., Yu, M., Yu, C., & Shen, P. (2022). Amorphous metallic ultrathin nanostructures: A latent ultra-high-density atomic-level catalyst for electrochemical energy conversion. International Journal of Hydrogen Energy, 47(63) 26956-26977.

【6】Li, Z., Li, B., Yu, C., Wang, H., & Li, Q. (2023). Recent Progress of Hollow Carbon Nanocages: General Design Fundamentals and Diversified Electrochemical Applications. Advanced Science, 2206605.

【7】Li, Z., Li, B., Hu, Y., Wang, S., & Yu, C. (2022). Highly-dispersed and high-metal-density electrocatalysts on carbon supports for the oxygen reduction reaction: from nanoparticles to atomic-level architectures. Materials Advances, 3(2), 779-809.

【8】Hu, Y., Li, H., Li, Z., Li, B., Wang, S., Yao, Y., & Yu, C. (2021). Progress in batch preparation of single-atom catalysts and application in sustainable synthesis of fine chemicals. Green Chemistry, 23(22), 8754-8794.

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(责任编辑：跨界洞察)