什么是单原子催化剂？

概述

根据催化体系中不同的相态，催化剂可分为均相催化剂和非均相催化剂。

• 均相催化剂原子利用效率高、活性位点均一、催化性能优异，但其稳定性差、难以回收并且成本较高、同时也易造成后续污染

• 非均相催化剂稳定性好、容易回收且经济效益高，但其原子利用率低、活性位点复杂、催化性能差。

2011年，张涛院士等人首次报道了单原子催化剂的制备与性能，并在此基础上提出了“单原子催化”的概念。这种催化剂中所有的铂都是呈单原子分散状态，不仅稳定性卓越，其单位点催化活性更是传统纳米催化剂的数倍，实现了贵金属利用率的最大化，使低成本高效贵金属工业催化剂开发成为可能。

此后，国内外便掀起了研究单原子催化的热潮。因此，负载贵金属单原子催化材料（如 Pd、Pt、Ru、Rh及 Ir）被广泛用于应对环境及能源等方面问题。

中国科学院兰州化学物理研究所唐志诚等人通过将Pt单原子限制在CeO₂晶格缺陷位点中来实现对VOCs的低温催化氧化。

优点

金属单原子具有较大的表面自由能，与载体可形成强相互作用、不饱和配位等，从而获得了优异的催化性能。

香港城市大学楼雄文等人通过将原子分散的镍锚定在负载于花生形空心氮掺杂碳结构上的CeO₂颗粒上，设计合成了一种新型催化剂。该催化剂在电催化析氧反应中表现出显著提升的本征活性和降低的过电位。

缺点

金属 SACs 易发生团聚而形成大的团簇或纳米颗粒，进而降低催化活性。而且，单原子作为活性中心，与负载纳米颗粒催化剂一样会发生金属-载体强相互作用(Strong Metal-Support Interactions, SMSI)。

张涛院士等通过精细的光化学方法制备了 Pt/TiO₂ SACs，并在实验中首次观察到，相较于 Pt 纳米颗粒，Pt单原子发生SMSI 的温度要高出不少，这是由于 Pt 单原子对 CO具有配位饱和的特性。这一发现为理解 SACs 的独特性质和应用潜力提供了新的视角。