單原子催化劑最新進展彙編：苯氧化、氨硼烷制氫、氧還原綜述等

1. Nat. Commun.：單原子Fe-N_xC_y催化苯氧化中心配位結構的調控

原子分散的金屬-N-C結構是催化苯氧化反應（BOR）的有效活性中心。然而，N和C原子的作用仍然不清楚。清華大學Chen Chen和中國石油大學（華東）的Chenguang Liu採用聚合調節熱解策略，合成了單原子Fe基催化劑，並系統研究了BOR中Fe-N_xC_y催化位點的配位效應。

單原子Fe位的特殊配位環境帶來了一個令人驚訝的發現：由四配位N原子錨定的Fe原子表現出最高的BOR性能，苯的轉化率為78.4%，苯酚的選擇性為100%。用一個或兩個C原子取代配位N原子後，BOR活性逐漸降低。理論計算表明，配位方式不僅影響催化劑的結構和電子性質，而且還影響催化劑的催化反應途徑和關鍵氧化物種的形成。Fe-N配位數的增加有利於關鍵中間體O=Fe=O物種的產生和活化，從而提高BOR活性。

Pan, Y.; Chen, Y.; Wu, K.; Chen, Z.; Liu, S.; Cao, X.;Cheong, W.-C.; Meng, T.; Luo, J.; Zheng, L.; Liu, C.; Wang, D.; Peng, Q.; Li,J.; Chen, C., Regulating the coordination structure of single-atom Fe-NxCycatalytic sites for benzene oxidation. Nat. Commun. 2019, 10 (1), 4290.

DOI: 10.1038/s41467-019-12362-8

2. JACS：Pd1/Co3O4單原子催化劑室溫氨硼烷水解制氫

氧化物/碳載金屬催化劑廣泛應用於工業化學反應。一方面，載體用於分散金屬，提高其表面積，以實現高活性和低成本。另一方面，載體和金屬之間也可以發生一定程度的電荷轉移，進而調變金屬的d-帶中心。這種由電荷轉移引起的“金屬-載體電子相互作用”（EMSIs）可以在一定程度上促使其催化活性的提高。近些年，具有最大原子效率和新異催化性能的負載金屬單原子催化劑（SAC）在催化領域引起了廣泛關注。上述EMSIs在這裡體系裡面尤為顯著，然而通過EMSIs調控金屬單原子的5d電子能級，進行設計出高活性和高穩定性的SACs至今鮮有人探索。

近日，中國科學技術大學路軍嶺教授報告了Co₃O

₄擔載的Pt₁單原子催化劑，由於金屬與載體之間存在“電子強相互作用”，使得該催化劑在室溫氨硼烷水解制氫反應中的活性比在其它載體上的高出最多可達68倍，並表現出了優異的抗燒結和抗浸出穩定性。與此相反，使用其它載體的Pt單原子樣品和Pt納米顆粒催化劑，均出現了快速失活現象，形成了鮮明對比。詳細的光譜表徵和理論計算表明，Co₃O₄ 載體，通過EMSIs調製了Pt₁單原子未被佔據的5d電子能級，進而在一定程度上削弱了氨硼烷分子和氫氣分子在Pt₁單原子上的吸附，從而大大提高了其制氫活性。這種顯著的電子促進作用在Pd₁/Co₃O₄單原子催化劑和加氫化反應中得到了進一步證明，為設計具有高活性和穩定性的高效SACs提供了一個新的設計思路。該成果近日以題為“Highly Active and Stable Metal Single-Atom Catalysts Achieved byStrong Electronic Metal−Support Interactions”發表在知名期刊 J. Am. Chem. Soc.上。

Highly Active and Stable Metal Single-Atom Catalysts Achieved byStrong Electronic Metal−Support Interactions

DOI: 10.1021/jacs.9b06482

3. JPCL：單原子Pt摻雜如何增強MoS2產氫性能？

在原子水平上合理設計廉價且高效的電催化劑是析氫反應（HER）研究的重點。

近日，中國科學技術大學的宋禮教授和陳雙明副研究員等設計合成了單原子Pt摻雜的金屬相MoS₂電催化材料。

要點1. 作者結合球差電鏡、X射線同步輻射和DFT理論計算結果，確定摻雜的Pt原子與MoS₂表面的S原子鍵合。

要點2. Pt單原子能從溶液中捕獲H⁺，是HER的關鍵反應活性中心。經過優化的Pt-MoS₂催化劑由於具有Pt單原子活性位點，展示出極高的HER性能。

Chuanqiang Wu, et al. Monoatomic Platinum Anchored Metallic MoS2: Correlation between Surface Dopant and Hydrogen Evolution.

J. Phys. Chem. Lett., 2019.

DOI：10.1021/acs.jpclett.9b01892

4.AEM綜述: 基於單原子和少原子分散活性位點的ORR反應

氧還原反應(ORR)在能源轉換過程中非常重要，如燃料電池和金屬空氣電池，對促進向非化石能源依賴的社會過渡至關重要。ORR反應通常需要昂貴的貴金屬催化劑來加速反應，貴金屬催化劑可以促進O₂的吸附、解離和隨後的電子轉移過程。以地球上丰度很高的過渡金屬基單原子或少原子（如Fe，Co，和Mo）與非金屬元素（如P、S和N）結合，摻雜或負載在碳基載體中形成的催化劑，是最有潛力的替代貴金屬催化劑的方案之一。

然而，對於單原子催化劑，金屬原子的配位數、類型和鄰近構型，或者說是金屬配位形貌，對活性位點的功能具有很大的影響。儘管目前已經進行了大量的研究，它們的催化功能和機理仍然讓研究者們感到困惑。它們既不是具有離散能量狀態的分子系統，也不能完全用適用於多相體催化劑的理論來描述。

有鑑於此，瑞典于默奧大學的Thomas Wågberg教授團隊綜述了單原子和少原子電催化劑的最新研究結果，重點討論了活性位點的催化功能和機理。

Tiva Sharifi, et al. Oxygen Reduction Reactions on Single- or Few-Atom Discrete Active Sites for Heterogeneous Catalysis. Advanced Energy Materials, 2019.

DOI: 10.1002/aenm.201902084

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