单原子催化剂.pptx

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,Single-AtomCatalysts,目录/,CONTENTS,01,背景介绍,02,单原子催化剂的合成,03,单原子催化剂的表征,04,单原子催化剂的应用,05,总结与展望,背景介绍,负载型金属催化剂，金属以单原子的形式负载在载体上,1.什么是单原子催化剂？

背景介绍,为什么研究单原子催化剂？

传统负载型催化剂在催化反应过程中只有极少数金属活性组分起催化作用。

大剂量负载贵金属成本太高，不利于规模化利用单原子催化剂每一个金属原子都能作为活性位点,背景介绍,3.单原子催化剂近几年的发展2011年，大连化物所张涛院士课题组成功制备出了单原子Pt/FeOx催化剂，在这篇文章中，张涛院士等人首次提出了单原子催化的概念1。

2012年，美国塔夫茨大学E.CharlesH.Sykes课题组将单原子Pd分散在Cu（111）面上，利用STM等手段表征了该原子分散的催化剂，该催化剂对于加氢反应具有很好的选择性2。

2014年，大连化物所包信和院士课题组制备的原子级分散的Fe/SiO2在甲烷无氧制乙烯及芳构化取得重要进展3。

2016年，厦门大学郑南峰课题组用简单的光化学方法合成的Pd/TiO2单原子催化剂在C=C和C=O加氢反应中具有极佳的活性和稳定性4。

1Nat.Chem.2011,3（8）:

634-6412Science2012,335（6073）:

1209-1212,3Science2014,344（6184）:

616-6194Science,2016,352（6287）:

797-800,背景介绍,3.单原子催化剂近几年的发展,背景介绍,4.单原子催化剂的优点,优点：

高活性、100%的原子利用率、高稳定性,ZhuC,FuS,ShiQ,etal.Single-AtomElectrocatalystsJ.AngewandtCehemie,2017,129（45）.,背景介绍,5.单原子催化剂的缺点,缺点：

负载量低、表面能高,单原子催化剂的合成,微观三大策略：

空位缺陷锚定策略空间限域策略配位设计策略,宏观七大制备方法：

浸渍法原子层沉积法逐步还原法固相熔融法反Ostwald熟化法质量分离软着陆法共沉淀法,单原子催化剂的合成,1.空位缺陷锚定策略通过在载体表面构筑缺陷位点，利用载体的C缺陷、O缺陷、S缺陷、金属缺陷等作为“陷阱”捕获单核金属前驱体，再利用金属单原子与缺陷位点的电荷转移效应来稳定形成的单原子，从而实现单原子催化剂的合成。

H.J.Qiu,ItoY,CongW,etal.NanoporousGraphenewithSingleAtomNickelDopants:

AnEfficientandStableCatalystforElectrochemicalHydrogenProductionJ.AngewandteChemie,2015,127.,单原子催化剂的合成,ChenY,JiS,WangY,etal.IsolatedSingleIronAtomsAnchoredonN-DopedPorousCarbonasanEfficientElectrocatalystfortheOxygenReductionReactionJ.AngewandteChemieInternationalEdition,2017.,2.空间限域策略空间限域策略包含两个步骤：

1.利用分子筛、金属有机框架材料、共价有机框架材料等多孔材料的分子孔道作为“笼子”封装和锚定单核金属前驱体，实现其均匀的空间分布和原子级分散；2.在后处理移除金属前驱体配体的过程中利用载体的骨架或者载体的衍生物稳定形成的单原子，防止其迁移团聚，从而实现单原子催化剂的合成。

单原子催化剂的合成,3.配位设计策略通过在载体表面设计配位点、配位基团作为“爪子”捕捉和锚定单核金属前驱体，再利用金属单原子与配位点的强相互作用稳定形成的单原子，防止其迁移团聚，从而实现单原子催化剂的合成。

HouY,QiuM,KimMG,etal.AtomicallydispersednickelnitrogensulfurspeciesanchoredonporouscarbonnanosheetsforefficientwateroxidationJ.NatureCommunications,2019,10

（1）.,单原子催化剂的合成,制备方法：

4.,共沉淀法：

是一种应用广泛且成熟的负载型催化剂的制备方法，张涛课题组就是采用共沉淀法准备出了Pt/FeOx和Ir/FeOx浸渍法:

将载体放入含有活性组分的溶液中，活性物质逐步吸附到载体表面，然后出去剩余液体，最后进行干燥焙烧活化原子层沉积法：

将物质以原子膜形式一层一层镀在载体表面的方法固相熔融法：

包信和课题组将SiO2与FeSiO4在高纯氩气氛下混合球磨，在空气气氛下高温煅烧再经硝酸洗涤、干燥后得到硅化物晶格限域的单中心铁催化剂0.5wt%Fe/SiO21Nat.Chem.,2011,3（8）:

634-6412J.Am.Chem.Soc.2013,135（34）:

12634-126453ChemistryAEuropeanJournal,2014,20（8）:

2138-21444Science,2014,344（6184）:

616-619.,单原子催化剂的合成,质量分离软着陆法：

质量分离软着陆是通过高频激光蒸发源使金属气化，利用质谱仪精确调控，使不同尺寸金属粒子负载到载体表面反Ostwald熟化法：

已经负载好的纳米颗粒在程序升温后在特殊载体上自动分散成单原子逐步还原法：

逐步还原法首先将第一种金属离子还原，接着第二种金属离子的还原，并且第二种金属沉积在第一种金属表面,5J.Am.Chem.Soc.,2000，122（14）:

34536Angew.Chem.2012,124（17）:

4274-42797J.Mater.Chem.A,2014,2（33）:

13498-13508,单原子催化剂的表征,球差校正高分辨透射电镜（HAADF-STEM）扫描隧道显微镜（STM）X射线吸收谱（XAS）傅里叶变换红外光谱（FT-IR）,单原子催化剂的表征,球差校正高分辨透射电镜（HAADF-STEM）:

可以直接观测到单原子在载体上的分散情况。

扫描隧道显微镜（STM）：

能够实时观察单原子在物质表面的排列状态和表面电子有关的物化性质。

X射线吸收谱（XAS）：

原子结构和电子结构信息，包括原子与邻近原子的间距、配位原子的数量和种类、无序度以及原子的氧化态等信息。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）：

能够测定化合物的化学键和化合物结构、混合物中某种化合物的含量、有机物的官能团,相关应用,单原子催化剂的应用,氧化反应,选择性加氢反应,光催化反应,电催化反应,YongyongJ,PanpanH,JunR,etal.PROGRESSINCHEMISTRY,2015,27（12）:

1689-1704.,活化稳定的C=O键需要较高的过电势；,存在竞争反应HER和多条反应路径。

ZhangBW,WangYX,ChouSL,etal.SmallMethods,2019:

1800497.,单原子催化剂优点,单原子催化剂在CO2RR中的应用电化学还原将二氧化碳转化为有用的化学燃料是最有前途的减排策略之一CO2RR中存在的难题：

最高的原子利用率,不饱和配位的活性中心,均一结构的活性位点,相关应用,2018年哈佛大学罗兰研究所汪淏田团队发展了一种合成Ni单原子催化剂的简单方法，该单原子催化剂在组装的膜电极装置中实现了超过8A的CO2还原电流，并维持高达99的CO选择性。

单原子催化剂在CO2RR中的应用背景,ZhengT,JiangK,TaN,etal.Joule,2019,3

（1）:

265-278.,相关应用,Ni-NCB催化剂制备示意图,单原子催化剂在CO2RR中的应用制备,相关应用,水中充分分散活性碳黑,添加Ni2+溶液,离心收集产物,一定量尿素混合,在Ar条件下退火1小时,图B：

扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）,图C:

X射线光电子能谱（XPS）,图D：

X射线吸收近边光谱（XANES）,单原子催化剂在CO2RR中的应用表征图A：

高分辨透射电子显微镜（HRTEM）,相关应用,Ni单原子较好地分散在氮掺杂的活性碳黑中LiuQ,ZhangZ.CatalysisScience&Technology,2019,9（18）:

4821-4834.,该反应器实现了CO2还原电流8.3A，同时保持CO选择性高达99，H2约为1。

该反应器在平均电流8A下连续电解6小时，CO选择性保持在90以上，生成的CO总量为20.4L。

在H-cell的基础上：

通过利用离子交换膜和电极紧凑组装的膜电极（MEA）进一步提高CO2转化的电流密度；并且进一步放大膜电极尺寸，设计出一款1010cm2的电化学反应器作为示例来放大CO2电解生产CO,单原子催化剂在CO2RR中的应用评价,相关应用,总结与展望,单原子催化的研究将催化科学由纳米催化带入单原催化，让人们从原子尺度认识了解复杂的多相催化反应。

目前单原子催化剂的开发和应用处于实验室研究阶段，离工业应用尚有一段距离。

但由于其优越的催化性能和潜在的成本优势，人们应在注重基础研究的同时，加快推进单原子催化的工业应用研究，筛选出适合工业应用的单原子催化体系，开发具有规模化应用前景的制备技术，推动单原子催化在各个领域的广泛应用，尽早造福社会。

谢谢大家！