单原子的机遇与挑战

单原子的机遇与挑战

报告人：李亚栋

一、单原子催化剂合成方法的建立

包括①Chem.Rev,2020, 120, 11900-11955；②Chem.Rev,2020, 120, 623-682；③Chem.Soc.Rev,2020, 49, 2215-2264；④Natl.Sci.Rev, 2018,5,673-689;其突破了单原子催化中原子级可控分散的技术难题。

二、从纳米晶到单原子催化剂

由于金属表面自由能降低，单个贵金属原子和超细金属团簇催化剂在高温下容易烧结成聚集颗粒。文章报道了贵金属纳米粒子(Pd，Pt，Au-NPs)可以在惰性气氛中转变为在900 °C以上热稳定的单原子(Pd，Pt，Au-Sas)。用像差校正扫描透射电子显微镜和X射线吸收精细结构证实了金属单原子的原子弥散。用原位环境透射电子显微镜(In Environment TEM)记录了该过程的动态过程，显示了NP-SA转化过程中相互竞争的烧结和雾化过程。此外，密度泛函理论计算表明，当可移动的Pd原子被捕获到氮掺杂碳的缺陷上时，高温NP到SA的转化是由热力学上更稳定的Pd-N4结构的形成所驱动的。热稳定单原子(Pd-SAS)在乙炔半加氢反应中表现出比纳米粒子(Pd-NPs)更好的活性和选择性。（Nature Nanotechnol，2018，13，856）

三、单原子的应用多为将单原子（团簇、纳米）催化剂负载在活性炭、氧化铝、分子筛等粉末或成型载体上（包括金属丝网、泡沫、高分子膜、陶瓷膜等）。现在已有的单原子催化剂包括单金属、双金属、多金属、单原子-纳米符合催化剂、单原子-团簇复合催化剂、单原子-团簇-纳米复合催化剂。

粉煤灰水热快速合成FAU型分子筛

介绍

粉煤灰作为一种固体废弃物，近年来由于大量堆积导致严重的自然环境灾害，引起了人们的广泛关注。目前对粉煤灰综合利用的案例很多，但大部分利用方式都很简单，经济效益非常低，且非常消耗人力，因此并没有从根源上解决粉煤灰的问题。粉煤灰主要由非晶态物质和结晶相（包括石英、莫来石、赤铁矿、针铁矿和方解石等）组成，含有大量的SiO,和Al5Oy，以及少量的Fe-0g，CaO，MgO,K,O，Na,O和TiO,等其它金属氧化物。粉煤灰存量大，硅铝含量高，可以替代化学原料合成在吸附、分离及催化领域具有重要地位的沸石分子筛材料，实现粉煤灰的资源高值化利用。

实验方案(Methods)

首先探究了晶化温度、晶化时间、硅铝比、碱硅比以及水硅比等对合成FAU型分子筛的影响并确定了化学原料合成高纯度高结晶度的最佳工艺参数，然后以粉煤灰为原料，适当调整工艺参数通过水热法快速合成了FAU型分子筛，同时也获得了快速合成高纯度高结晶度Na-A分子筛的最佳

工艺参数。

实验成果(Results)

在本工作中以粉煤灰作为原料，通过改变合成条件和产物的XRD谱图对比分析得出以粉煤灰为原料高温快速制备FAU型分子筛及Na-A分子筛的最佳合成条件。通过表征所得产物，证明合成产物为Na-X和Na-A分子筛，且具有高结晶度，产物大小均匀，具有很好的晶型。

单原子催化剂对氧的活化应用探索

报告人：吴宇恩

通过对有机小分子的聚合-高温自组装，可构筑邻近石墨氮组装的无金属碳催化剂。该催化剂不仅可催化芳醚键和系列官能团的加氢或氢解，还可催化氮杂环的无氧脱氢反应加速C-O键断裂。与非贵金属单原子Fe相结合，可进一步择增强其氢气活化能力。

M@SiO2核壳结构纳米材料的可控合成及其催化制氢应用

报告人：乔波涛

总结

①采用一锅反胶束法合成了几种M@SiO2，该类催化材料具有颗粒小，形貌均一等特点，且对硼氮氢化物脱氢表现出优异的催化活性和稳定性。

②通过调控金属前驱体用量和反应时间，可以调控金属内核的数量和外壳SiO2的厚度。

③利用稀土可以调控纳米材料的形貌和电子密度，得到具剂活性的蠕虫状Ni-CeO2@SiO2核壳结构材料。

原位渗碳策略制备NiMo双金属碳化物用于高效碱性析氢反应

报告人：郑晓忠

①通过“原位渗碳”策略来合成NiMo双金属碳化物电催化剂;并展示优异的HER性能和出色的稳定性(60 h),均优于商业Pt/C。

②利用DFT理论计算揭示NipMo双位点协同加快水活化和氢脱附过程

③该合成策略有望拓展到其他双金属碳化物至其他催化体系(CoMo, NiW, CoW等)的制备，并推广应用。

铠甲催化：从概念到应用

报告人：邓徳会

将金属纳米颗粒限域在碳纳米管等载体中，已经成为设计高度耐用的非贵金属催化剂的一种新颖策略。稳定的碳层可保护内部金属免受破坏性反应环境的影响，这种催化剂被称为“铠甲催化剂”。电子从活性金属到碳层的转移激发了碳表面独特的催化活性，在各种催化反应体系中得到了广泛的应用。详细阐明了决定铠甲催化剂催化性能的主要因素。铠甲催化剂由铠甲层和包裹的金属纳米颗粒两部分组成： ①催化活性来源于铠甲层的局域电子态的扰动和电子从金属纳米颗粒向外表面的转移；②催化的耐久性则取决于铠甲材料的内在稳定性。

因此，这两部分的物化性质对催化性能有重要影响。

以ORR为例，作者认为，铠甲碳层被内部铁纳米颗粒与碳之间的电子相互作用和诱导的电荷重新分布所激活，并已成为催化剂的一部分，在那里促进了O2的吸附和解离，并引发了ORR。

总之，铠甲催化剂是当前催化领域不可多得的面向实用化的新理念，将为前沿催化材料的产业化提供一条独具特色的道路。