近年來，單原子催化劑因其高的原子利用率、明確的催化活性中心和高的催化性能而成為研究前沿與熱點(diǎn)。但由于在制備過程中活性原子易于遷移和聚集，使得單原子催化劑的高載量可控制備仍存在巨大挑戰(zhàn)。如何實(shí)現(xiàn)高密度的單原子催化活性位點(diǎn)，以及如何實(shí)現(xiàn)其低成本宏量制備是單原子分散催化劑邁向應(yīng)用的關(guān)鍵。金屬-氮類催化劑在燃料電池、鋅空電池、電解水等電化學(xué)能源器件中有著廣泛的應(yīng)用，但其形成通常需要高溫，金屬原子更易團(tuán)聚，因此制備高密度、單原子分散的金屬-氮(M-Nx)催化劑更具挑戰(zhàn)。 

    在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的支持下，中科院化學(xué)所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡勁松課題組致力于高性能非貴金屬電催化劑的設(shè)計、可控構(gòu)筑與催化機(jī)制研究。近期，他們在前期關(guān)于金屬-氮類氧還原電催化劑(J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 3570；ACS Catal. 2015, 5, 2903；ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 11508；2017, 9, 5272；Carbon 2016, 107, 162；J. Mater. Chem. A 2016, 4, 7781；Chem. Commun. 2018, 54, 8190；Appl. Catal. B Environ. 2019, 251, 240等)和單原子分散Fe-N-C電催化劑(Chem. Commun. 2018, 54, 1307)的研究基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種簡便的級聯(lián)錨定新策略，實(shí)現(xiàn)了金屬載量可達(dá)12%的單原子分散金屬-氮催化劑的普適性宏量制備，催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異且穩(wěn)定的電催化性能，相關(guān)工作發(fā)表于Nat. Commun. 2019, 10, 1278。 

為了獲得高載量的單原子分散金屬-氮位點(diǎn)，研究人員通過1) 使用絡(luò)合劑(如廉價葡萄糖等)與金屬離子形成絡(luò)合物在原子尺度上物理隔離金屬源；2) 采用高比表面積、表面富有含氧官能團(tuán)的、兼顧高速傳質(zhì)與傳荷特點(diǎn)的三維多孔碳載體實(shí)現(xiàn)了金屬絡(luò)合物在載體表面的高密度負(fù)載；3) 同時使用過量絡(luò)合劑在分子尺度上物理分隔金屬絡(luò)合物；4) 高溫?zé)峤鈺r含氮前體(如三聚氰胺等)原位分解生成的CNx片斷可在與絡(luò)合物分解的金屬原子形成M-Nx結(jié)構(gòu)的同時，與裂解生成的碳在載體表面形成多孔碳網(wǎng)絡(luò)，從而原位錨定M-Nx并使其暴露成為有效催化位點(diǎn)。 

    實(shí)驗(yàn)中，只需將葡萄糖溶液與多孔碳載體及金屬鹽前體混合，再與三聚氰胺一起熱處理即可獲得高密度、穩(wěn)定的單原子分散的M-Nx催化劑。該策略對多種金屬、載體、絡(luò)合劑普遍適用；制備過程簡單，成本低，可規(guī)?；苽?；催化劑性能優(yōu)異。例如，Fe-Nx催化劑堿性氧還原半波電位可達(dá)0.90 V，在此電位下動力學(xué)質(zhì)量活性可達(dá)100.7 A/g，明顯優(yōu)于商業(yè)20 wt% Pt/C催化劑；Ni-Nx催化劑電催化還原CO₂時在30 mA/cm²的電流密度下法拉弟效率也可達(dá)89%。這一逐級錨定新策略為宏量制備高密度、高活性、高穩(wěn)定性的單原子分散M-Nx類催化劑提供了一種新的普適的方法 Nat. Commun. 2019, 10, 1278 。 

                                  級聯(lián)錨定策略宏量制備高載量單原子金屬-氮催化劑 

       --轉(zhuǎn)載自中科院化學(xué)所新聞動態(tài)