近日，中國科學院大連化學物理研究所航天催化與新材料研究中心研究員喬波濤和中科院院士張濤團隊在單原子催化方面取得新進展：利用金屬-載體共價強相互作用（strong covalent metal-support interaction）成功製備出耐高溫的高載量鉑單原子催化劑。相關成果發表在《自然-通訊》（
Nat. Commun.，2019，10，234）上。2011年，張濤團隊與清華大學教授李雋以及美國亞利桑那大學教授劉景月合作，在國際上首次報道了單原子催化劑的製備與性能，並在此基礎上提出了“單原子催化”的概念（ Nat. Chem.，2011，3，634）。當金屬以原子級別分散於載體上形成單原子催化劑時，會表現出許多異於負載型納米顆粒催化劑的特性，例如金屬利用率達到最大、金屬載體界面最大化（Angew. Chem. Int. Ed.，2018，57，7795）、活性位組成結構均一、有望溝通均相與多相催化(Angew. Chem. Int. Ed.，2016，55，16054）等。但是高度分散的金屬原子同時也具有較高的表面能和熱力學不穩定性，特別在高溫條件下趨向於聚集成金屬團簇甚至納米顆粒，因此通常需要載體表面配位不飽和的缺陷位點（coordinatively unsaturated sites）來錨定金屬原子，但是金屬氧化物載體通常表面缺陷數量較少，難以得到高溫穩定的高載量單原子催化劑。
該團隊在長期探索單原子催化劑的製備和穩定機制（ACS Catal.，2015，5，6249； Nano Res.，2015，8，2913）的基礎上，發現以共沉澱法製備的Pt
1/FeOx單原子催化劑在800℃高溫焙燒後依然完全保持原子級分散，證明金屬與載體之間的強相互作用使單原子催化劑具有優異的熱穩定性。據此提出依靠金屬-載體共價強相互作用來穩定活性金屬，有望使單原子催化劑徹底擺脫載體缺陷位數量對金屬載量的限制。實驗證明，負載在氧化鐵載體上的Pt納米顆粒，在空氣中高溫焙燒即可得到鉑單原子催化劑，質量負載量可達1%。對照實驗和理論計算說明鉑納米顆粒受熱分散並穩定成單原子的現象與載體表面的缺陷無關，而是取決於載體本身的性質。在可還原氧化物載體（Fe2O3）上，鉑納米顆粒焙燒後會自發分散成單原子，而在非還原性載體（Al2O3）上，鉑納米顆粒受熱將團聚成更大的顆粒。把氧化鐵摻雜到氧化鋁載體中可有效調節載體與金屬的相互作用，有利於Pt納米顆粒的熱分散。在甲烷催化燃燒反應過程中，氧化鐵負載的Pt納米顆粒原位轉化成Pt單原子催化劑，並表現出良好的催化活性和熱穩定性。該工作揭示了負載型納米顆粒催化劑熱解分散成單原子催化劑的過程，初步探索了金屬-載體共價強相互作用對活性金屬的穩定機制，為設計耐高溫、高載量的單原子催化體系提供了理論依據和重要借鑑。該研究工作是與李雋以及天津理工大學教授羅俊等合作完成的。該研究得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、國家重點研發計劃“納米科技”重點專項和潔淨能源創新研究院合作基金等的資助。
大連化物所製備出高溫穩定的高載量單原子催化劑
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