多校联合发 Nature Materials，指导单原子催化剂合成！

【导读】

单原子催化剂（single-atom catalysts, SACs）是将孤立的金属原子锚定在固体基质上，具有非相催化剂易于分离、良好的可回收性和易于固定的优点，同时具有均相催化剂活性中心高度均匀、配位环境可调和原子利用效率高等优点。此外，SACs为探索催化结构性能关系以及研究原子尺度的催化机制提供了一个基本平台。近些年来，虽然已开发了数十种用于电催化、热催化、光催化和储能的SACs，它们表现出优异的催化活性和选择性，但是仍然存在以下的挑战：（1）缺乏一套统一的指导SACs合成的准则；（2）SACs的局部结构仍然难以调控，包括键长、氧化态、配位数（CN）和配位阴离子；（3）难以控制金属单原子（SAs）的负载，其倾向于聚集成纳米团簇/颗粒；（4）目前在如何将不同的元素金属位点结合到一个SAC系统中，并为SAC打开成分复杂的多金属相空间方面存在知识差距。

【成果掠影】

近日，美国加州大学尔湾分校忻获麟教授、厦门大学/厦门大学马来西亚分校郑金成教授和天津理工/电子科大（深圳）高研院罗俊教授（共同通讯作者）等人报道了一种利用溶解和碳化方法合成了基于37种单金属元素的单原子催化剂（SACs），并对其进行表征和分析，以建立最大的SACs库。结合原位研究，作者揭示了单原子的氧化态、配位数（CN）、键长、配位元素和金属负载的统一原理，以指导设计具有锚定在氮掺杂碳上的原子分散的单原子催化剂。此外，作者利用该库为SACs打开了复杂的多金属相空间，并证明了使用单原子锚定位点作为结构单元组装具有多达12种不同元素的成分复杂的SACs材料，且没有基本限制。该工作为合理设计SACs提供了一个从单金属到成分复杂的多金属材料的单原子库。研究成果以题为“A single-atom library for guided monometallic and concentration-complex multimetallic designs”发布在国际著名期刊Nature Materials上。

【核心创新】

1、构建了基于37种单金属元素的最大单原子催化剂（SACs）库。

2、利用该库为SACs开辟了复杂的多金属相空间，并证明了使用单原子锚定位点作为结构单元组装具有多达12种不同元素的成分复杂的SACs材料，且没有基本限制。

【数据概览】

图一、单金属SACs的合成与表征©2022 Springer Nature Limited
（a）SAC合成示意图；

（b）SACs的37种金属元素及其平均价；

（c）球差校正的HAADF-STEM图像；

（d）SACs、拟合和参考材料的FT-EXAFS谱图。

图二、单金属SAC特性的相关性分析©2022 Springer Nature Limited
（a）SAs与其第一壳元素的键长；

（b）SAs的CN值；

（c）SAC属性的相关性；

（d）SAC属性的相关散射矩阵；

（e）SACs中的SA负载量，由ICP-MS测定；

（f）最大SAC金属前体比率对电负性的依赖性。

图三、SACs的温度诱导演化动力学©2022 Springer Nature Limited
 （a）Mo SAC合成的原位Mo K-edge XANES光谱；

（b）具有MoO₆、MoC₂O和MoC₂N部分的XANES拟合曲线；

（c）原位Mo K-edge FT-EXAFS光谱；

（d）具有MoO₆、MoX₂O和MoC₂X部分的EXAFS拟合曲线；

（e）Mo SAC形成过程中原子结构演化示意图；

（f-i）Mo SAC合成的原位Mo 3d、O 1s、N 1s和C 1s的XPS光谱；

（j-l）Mn SAC合成的原位Mn 2p、O 1s和N 1s的XPS光谱；

（m）MnO₆向MnN₄的结构转换示意图。

图四、含有12种不同金属元素的SAC的表征和OER性能©2022 Springer Nature Limited
 （a）原子分辨率的HAADF-STEM图像；

（b）（a）中盒装区域的特写视图；

（c）（a）中随机选择区域的伪彩色表面图；

（d）HAADF-STEM图像和能量色散光谱元素图；

（e）SAs和相应参考材料的FT-EXAFS光谱；

（f）通过ICP-MS测定的每种金属元素的含量；

（g）12种金属SACs、12种混合单金属SACs、单金属SACs、C衬底和商业IrO2的线性扫描伏安曲线；

（h）利用12种金属SACs获得的计时电位曲线。

【成果启示】

综上所述，作者构建了一个从单金属到成分复杂的多金属材料的单原子库。对库中SAC属性相关性的大数据分析，不仅为理解不同种类SAC中活性位点的性质提供了统一的原理，也启发了对SAC形成机制的更深入了解。该工作可能会为SACs开辟指数级更复杂的多金属相空间，并激发SAC发现和优化的新研究领域，其中SACs的元素组成可用于控制SAC合成和活性。

文献链接：A single-atom library for guided monometallic and concentration-complex multimetallic designs. Nature Materials, 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01252-y.

本文由CQR编译。

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