今日Nat. Nanotechnol.：太强了！把块状金属直接做成单原子催化剂！

第一作者：Gao-Feng Han

通讯作者：Feng Li (李峰), Hu Young Jeong & Jong-Beom Baek

通讯单位：复旦大学，蔚山科学技术院

研究亮点：本文提出一种通过自上而下的摩擦方法制备单原子催化剂（包括铁、钴、镍和铜），其中金属直接雾化到不同的载体上，如碳骨架、氧化物和氮化物。反应机制是通过机械化学力在载体上原位产生缺陷，然后捕获并稳定隔离原子化金属。

【主要内容】

单原子催化剂是通过将分离的单个金属原子稳定地锚定在载体上，允许高达100% 的金属被催化利用。与纳米颗粒和块状金属相比，强金属-载体相互作用和量子尺寸效应导致了异常独特的化学、物理和电子特性。单原子催化剂在CO氧化、加氢、有机反应以及电催化和光催化反应中具有潜在的应用。因此，需要找到一种简单、低成本、环保和可扩展的合成单原子催化剂的方法。单原子催化剂通常使用自下而上的方法合成，采用合成金属盐/络合物和含氮或碳的有机化合物作为原料（图 1a），水或有机液体用作溶剂。同时还需要热还原以将金属盐转化为单个原子。自下而上的过程不可避免地会产生副产物，包括盐和液体/气体分子，需要用溶剂进一步冲洗。尽管有几项工作声称球磨可以通过将金属盐与载体物理混合来消除对溶剂的需求，但这种方法需要几个步骤并且会产生危险废物（图 1b）。

鉴于此，蔚山科学技术院李峰，Hu Young Jeong & Jong-Beom Baek等人提出了一种简便且环保的自上而下的机械化学摩擦方法，用于从块状金属、氮气（N₂）和石墨作为前体直接合成单原子催化剂（图 1c）。制备过程中不使用合成化学品或溶剂（包括水），因此不会产生副产品或废物。由于动能是反应的驱动力，直接使用风能或水能等自然动能可以进一步降低处理成本。在某些情况下，额外的热处理可以通过将偶尔形成的金属簇转化为单个原子进一步提高单原子的比例（对于Fe-N-C系统，从75% 提高到96%）并使单原子催化剂的热力学稳定性更高。与商业Pt@C 相比，所制备的单原子金属-N-C催化剂显示出具有竞争力的氧还原反应性能。作者的策略不仅适用于金属-N-C 系统（其中金属可以是铁、钴、镍、铜或它们的合金），而且还可以很容易地扩展到其他载体。为了证明这一点，他们还成功地在一些用于非均相催化的典型载体上合成了单原子催化剂，例如氧化物（MgO、SiO₂ 和 CeO₂）和氮化物（C₃N₄）。 这些结果证实，本文的策略可以用作制备单原子催化剂的通用环保方法。

Fig. 1 | Schematic comparing the different methods for preparing SACs.

Fig. 2 | Characterizations of single-atom metal–N–C.

Fig. 3 | Theoretical analysis.

Fig. 4 | Extension to different supports.

【文献信息】

Han, GF., Li, F., Rykov, A.I. et al. Abrading bulk metal into single atoms. Nat. Nanotechnol. (2022).

https://doi.org/10.1038/s41565-022-01075-7