Nature、AFM报道单原子催化剂最新研究进展

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Nature、AFM报道单原子催化剂最新研究进展

单原子催化在过去十年中引起了广泛关注。由于其独特的活性位点结构，单原子催化在热催化、电催化和环境催化等许多体系中表现出超高的原子利用效率和独特的催化活性和选择性。

本期小丰整理了3篇单原子催化剂近期发表在Nature等顶刊的文章，一起看下吧~

Nature

从轨道层面解锁单原子催化剂金属-载体相互作用

2025年4月2日，期刊Nature报道研究人员在14种半导体载体表面构建了34种钯（Pd）单原子催化剂，通过调控载体种类与尺寸，实现了对载体最低未占分子轨道（LUMO）和最高占据分子轨道（HOMO）能级位置的精准调控。

具体而言，团队首先利用原子层沉积（ALD）技术在SiO2基底上制备了不同尺寸的MOx（M=Zn、Co、Ni、Ga、Ti）氧化物颗粒。随后，进一步通过Pd ALD技术将Pd单原子选择性沉积于MOx颗粒表面，获得系列Pd1/MOxSACs。

在乙炔选择性加氢反应中，研究发现当ZnO、CoOx等载体尺寸降至纳米级时，Pd SACs在保持高选择性的同时，其活性较传统块体氧化物负载的Pd SACs提升20倍以上，打破了活性与选择性间的“跷跷板”效应。其中，1.9nm ZnO负载的Pd SACs在80°C下表现出25.6min-1的优异活性，远超文献报道的其他Pd SACs，且为Pd1Ag/SiO2单原子合金催化剂的活性的46倍。值得注意的是，该催化剂在100h稳定性测试中未出现积碳或金属团聚现象，展现出了卓越的稳定性。

通过理论计算揭示了其内在机制：随着ZnO尺寸减小，其LUMO能级升高，禁带宽度变大，与实验结果一致。一方面，升高的ZnO LUMO缩小了与Pd HOMO的能隙，继而增强Pd-载体轨道杂化，提升了其稳定性；另一方面，Pd原子在ZnO表面成核后，负载Pd原子的LUMO能级随ZnO尺寸减小而诱发的增强的Pd-载体轨道杂化而逐步降低。这使得其与乙炔和氢分子HOMO能级更加匹配，从而显著增强其吸附，并提高活性。

该理论结果与实验结果高度吻合，同时也与FMO理论图像相一致，展现了FMO理论在单原子催化中的可行性。

文献名称：Metal–support frontier orbital interactions in single-atom catalysis

Advanced Functional Materials

预配位策略精确定制设计单原子位点配位结构助力高效催化

配位结构工程是优化单原子催化剂催化性能的一种很有前途的方法，然而精确定制单原子位点仍然具有挑战性。

2025年2月4日，期刊Advanced Functional Materials报道研究人员提出了一种预配位策略，在二维蜂窝状碳纳米泡沫上设计具有可调局部配位环境的SACs。通过强d-p轨道杂化，将金属前驱体与定制官能团预配位在层状Mg(OH)2模板上，制备出具有Co-N4（Co1/NC）、Co-C4（Co1/CC）和Co-C2S2（Co1/CSC）构型的SACs。

在反应过程中，层状蜂窝状结构有利于活性位点暴露、反应物富集和传质。因此，尽管Co1/NC催化剂的Co负载量极低，仅为0.12wt.%，但对硝基芳烃还原表现出优异的催化活性和稳定性，在将4-硝基苯酚转化为4-硝基苯胺的过程中，实现了优异的73668h-1的总周转频率（TOF），超过了大多数报道的催化剂。

实验和DFT计算结果表明，Co1/NC具有优异的催化活性归因于Co位点的层状蜂窝状结构和适度的费米电子态，这不仅有利于反应过程中活性位的暴露和反应物的富集，而且显著加快了反应H*的形成和利用，加快了芳香族硝基还原的反应动力学。

该研究发现不仅为先进单原子催化剂的精确合成提供了可行的策略，而且加深了对化学转化中SACs配位结构与催化性能之间相互作用的理解。

文献名称：A Pre‐Coordinated Strategy Precisely Tailors the Coordination Structure of Single‐Atom Sites Toward Efficient Catalysis

Angew

单原子铜簇接力催化增强尿素电合成

接力催化在调控电催化偶联反应中不同反应物间的竞争表现出显著优势。然而，对于较为复杂的尿素电合成中接力催化反应机制的全面理解仍存在挑战。

2025年3月12日，期刊Angew报道了一种氮掺杂连通孔碳（NC）载体调控的铜原子簇（CuAC）及其卫星Cu-N4单原子（CuSA）位点催化剂（CuAC-CuSA@NC），并将其用于电催化尿素合成研究。该项工作中设计的CuAC-CuSA@NC在-1.3Vvs.RHE下表现出比CuSA@NC高约3倍的尿素产率。

非原位实验结果和原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS）揭示了*NH2与*NH2CO物种在CuAC-CuSA@NC表面的形成顺序；进一步结合理论计算阐明在CuAC-CuSA@NC催化剂上尿素合成的接力催化路径为：“CuAC”位点促进*NO3向*NOx的转化，随后“CuSA”位点主导水解离提供*H用于氢化*NOx，驱动*NH2的形成后，与*CO2偶联生成尿素。

在CO2饱和的0.1M KHCO3+0.05M KNO3电解液中，CuAC-CuSA@NC展现出优异的尿素合成性能。在−1.3V电位下，CuAC-CuSA@NC的尿素产率达42.4mmol h-1gcat-1，远高于CuSA@NC（15.6mmol h-1gcat-1），说明“CuAC”和“CuSA”活性位点的共存可以促进C−N偶联的发生。此外，研究人员还对CuAC-CuSA@NC进行了尿素合成中的电化学循环稳定性测试，表明催化剂优异的稳定性。

该研究明确了Cu元素不同形态的“CuAC-CuSA”协同位点上尿素电合成的接力催化过程，为设计级联催化反应的先进催化剂提供了新的见解。

文献名称：Elucidating Relay Catalysis on Copper Clusters With Satellite Single Atoms for Enhanced Urea Electrosynthesis

单原子催化剂载体推荐

XF392

层状氮掺杂碳粉末(用于Cu原子催化剂载体）