聚合物封装策略制备单原子位点催化剂

　　单原子位点催化剂由于其中的金属原子级分散在载体上，表现出高活性、高选择性、低成本等特点，近年来受到材料、催化等领域的广泛关注。然而，由于金属原子具有极高的表面能，在材料的制备过程中容易团聚，限制了单原子位点催化剂的发展。现有的合成单原子位点催化剂的方法仍然存在一些问题，如合成步骤繁琐、合成过程中需要酸洗等浪费大量金属前驱体的步骤、以及合成方法通用性差等等。因此，需要寻找一种更简便、更通用、更环保的合成方法。清华大学化学系的一个研究组发展了一种简单通用的聚合物封装策略来制备单原子位点催化剂，相关的研究成果发表在2018年4月12日的《Advanced Materials》上。 

　　该研究组发现通过先将金属前驱体与聚合物单体预混合再使聚合物聚合，使金属前驱体均匀分散地原位封装在聚合物骨架中，经高温碳化还原，可获得氮掺杂碳负载的金属单原子位点催化剂。该研究组以金属乙酰丙酮配合物为金属前驱体，以多巴胺为聚合物单体，验证了聚合物封装策略制备单原子位点催化剂的可行性，使用该方法成功制备出了非贵金属（Co、Ni、Cu、Mn等）和贵金属（Pd等）单原子位点催化剂。另外，所制备的钴基单原子位点催化剂Co-ISAS/CN在氧还原反应中表现出可与20% Pt/C相媲美的电催化活性。 

　　利用北京同步辐射装置（BSRF）获得了多种氮掺杂碳负载的单原子位点催化剂中金属位点的配位结构。通过X射线近边吸收谱（XANES）、X射线吸收精细结构（EXAFS）及其拟合，确认金属（M，包括Co、Ni、Cu、Mn、Pd）以稳定的M-N₄的结构存在于氮掺杂碳载体上。 

　　“最近，李组使用多巴胺混合金属乙酰丙酮络合物制备了多孔碳氮纳米球负载的金属单原子材料，其金属的种类可以为Co、Ni、Cu、Mn和Pd。X射线吸收谱和大角度环形暗场扫描透射电子显微镜分析确定了所有的金属都是以带正电荷的孤立的单原子位点的形式存在的，金属与四个氮原子配位。作为其中一个例子，碳氮负载的钴单原子材料在氧还原反应中表现出优异的稳定性和可与Pt/C相媲美的氧还原活性”，澳大利亚阿德莱德大学的Zheng Yao教授在其综述文章（Journal of Materials Chemistry A (6)2018, 21827-21846）中配图评述道了这个工作。 

　　这个研究不仅为单原子位点催化剂的合成提供了一种简单、通用的合成策略，也为电催化氧还原反应提供了一种可供选择的高效电催化剂。在这项研究工作中，同步辐射光源帮助该研究组解开了金属单原子位点催化剂原子级结构的面纱。清华大学化学系教授、该研究组组长李亚栋院士这样描述他们的工作：“然而，单原子位点催化剂在实际的催化反应中活性位点的结构将会发生变化，因此催化反应条件下的金属位点的结构仍需要进行解析，以便于调控金属位点的配位结构合成高效的单原子位点催化剂。能够模拟催化反应条件的原位同步辐射光束装置将必定会有助于解析实际催化反应过程中的金属活性位点的原子级结构”。 

　　发表文章： 

　　Aijuan Han^？, Wenxing Chen^？, Shaolong Zhang, Maolin Zhang, Yunhu Han, Jian Zhang, Shufang Ji, Lirong Zheng, Yu Wang, Lin Gu, Chen Chen, Qing Peng, Dingsheng Wang*, Yadong Li*. A Polymer Encapsulation Strategy to Synthesize Porous Nitrogen-Doped Carbon-Nanosphere-Supported Metal Isolated-Single-Atomic-Site Catalysts, Advanced Materials 30(2018), 1706508.