單原子催化劑前景光明

簡 訊

單原子催化劑前景光明

最近C&EN期刊上的一篇文章評估了單原子催化劑(SAC)制備和表征領域的快速發展，結論是這些催化劑的商業合成可能比預料的更快。已經有十余個反應確定可以由單個金屬原子催化，提高催化選擇性和反應速率，這對貴金屬催化劑尤其重要，因為相比其它大多數元素來說，貴金屬的價格要高得多。低配位金屬原子往往表現為最具催化活性的中心，而每個原子的活性隨顆粒變小而提高，用普通方法如等量浸漬法制備的催化劑上金屬顆粒會發生聚集，導致活性和選擇性下降。

科學家認為單原子催化劑的選擇性提高比活性提高更重要。在美國塔夫茨(Tufts)大學的一項研究中，通過在高真空條件下加熱鈀，并在臨近的銅片上捕獲鈀原子制備了Pd單原子催化劑，已通過掃描隧道顯微鏡確認。單原子鈀形態的Pd-Cu催化劑用于乙炔加氫制乙烯、苯乙烯加氫制乙苯等反應，確實展示了高選擇性和活性。而再加入一些鈀時，由于形成了較大的金屬聚集體，該Pd-Cu體系失去了選擇性。

將金屬捕獲在一種載體上，牢固地綁定金屬，防止聚集，似乎是制備單原子催化劑的關鍵。最近美國新墨西哥州大學的一個研究團隊展示了在氧化條件下把鉑催化劑加熱到高溫(這種條件通常會導致鉑的進一步聚集)，生成的揮發性PtO2脫離了鉑聚集體表面，并重新有效地沉積在二氧化鈰表面上，使鉑處于單原子狀態。所得Pt-Ce催化劑對CO向CO2的轉化活性非常高。

正如C&EN期刊那篇文章中指出的那樣，這些進展吸引了越來越多的研究者。其中許多人參加了2016年夏天在中國科學院大連化學物理研究所(簡稱大連化物所)舉辦的首屆單原子催化劑國際會議。大連化物所是單原子催化劑研究的領軍機構之一。

通過其它技術設法提高貴金屬催化劑分散度的工作還在繼續開展。麻省理工學院的研究人員創造了核-殼式納米催化劑來提高金屬效率，通過用(NH4)2PtCl6處理氧化鎢納米顆粒，并用氧化硅納米球包裹其外制備了催化劑。

單原子催化劑在制備、表征和模擬(如利用密度泛函理論(DFT)計算)方面的快速進步已使科學家們確信單原子催化劑可能開辟一個新的前沿領域。世界上最受尊敬的催化劑科學家之一John Meurig Thomas先生最近在《自然》期刊上的一篇文章中評論到“單原子催化劑未來前景光明”。

[程薇摘譯自Focus on Catalysts，2016-11-01]