近日，大連化物所喬波濤研究員、李為臻研究員和張濤院士團隊在單原子催化研究方面取得新進展，通過簡單的物理混合方法，經高溫焙燒即可製備得到高熱穩定單原子催化劑。 研究表明，強共價金屬-載體相互作用可促進單原子的生成。該方法操作簡單、易放大，已實現千克規模製備，為單原子催化劑的大規模製備奠定了基礎。
2011年，張濤院士研究團隊與清華大學李雋教授和美國亞利桑那州立大學劉景月教授合作，在國際上首次報道了氧化鐵負載鉑單原子催化劑，並在此基礎上提出了“單原子催化”的概念。短短几年時間，單原子催化劑因其具有最大的原子利用率、均一的活性位點、對特定反應優異的活性、選擇性，已成為催化領域研究的熱點。2016年，“單原子催化”入選美國化學會化學工程新聞評選出的當年度化學化工領域“十大科研成果”。
隨著研究的深入，單原子催化劑的製備方法層出不窮。其中，原子層沉積和質量篩選-軟著陸法精確且可控，但成本高、產率低，目前僅適合實驗室製備。溼化學法較為常見，然而過程通常較為耗時且繁瑣，不利於單原子催化劑的大規模製備。此外，製備得到的單原子催化劑熱穩定性往往較差，不適合用於高溫反應。這些都在一定程度上限制了單原子催化劑的工業化應用。因此，規模化製備高熱穩定的單原子催化劑仍是亟待解決的問題。
在前期研究工作的基礎上，該研究團隊使用商業的二氧化釕粉末作為釕源，含鐵的尖晶石作為載體，通過簡單的物理混合方法，經過高溫焙燒即可製得高熱穩定的釕單原子催化劑。結合實驗、原位電鏡及理論計算，發現不同於傳統的高溫氣相原子捕獲機制，本體系中呈現一個反奧斯特瓦爾德熟化過程，強共價金屬-載體相互作用不僅有助於捕獲和穩定釕單原子，而且也可促進二氧化釕粉末再分散生成釕單原子。在不同濃度的氧化亞氮分解反應中，單原子催化劑均表現出良好的催化活性，經高溫長時間反應，催化劑不失活，且釕單原子未燒結及流失。物理混合製備單原子的方法簡單，易於放大。使用商業三氧化二鐵作為載體，已成功實現千克級單原子催化劑的製備，為高熱穩定單原子催化劑的大規模製備奠定了基礎。
相關工作發表在《自然-通訊》上。該研究得到國家重點研發計劃“納米科技”重點專項、中國科學院戰略性先導科技專項B“能源化學轉化的本質與調控”子課題、國家自然科學基金、潔淨能源創新研究院合作基金和遼寧省興遼英才計劃等項目的資助。
千克級別釕單原子催化劑的製備流程圖
來源中科院大連化物所
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