單原子的機遇與挑戰(zhàn)

報告人：李亞棟

一、單原子催化劑合成方法的建立

包括①Chem.Rev,2020, 120, 11900-11955；②Chem.Rev,2020, 120, 623-682；③Chem.Soc.Rev,2020, 49, 2215-2264；④Natl.Sci.Rev, 2018,5,673-689;其突破了單原子催化中原子級可控分散的技術難題。

二、從納米晶到單原子催化劑

由于金屬表面自由能降低，單個貴金屬原子和超細金屬團簇催化劑在高溫下容易燒結成聚集顆粒。文章報道了貴金屬納米粒子(Pd，Pt，Au-NPs)可以在惰性氣氛中轉變?yōu)樵?00?°C以上熱穩(wěn)定的單原子(Pd，Pt，Au-Sas)。用像差校正掃描透射電子顯微鏡和X射線吸收精細結構證實了金屬單原子的原子彌散。用原位環(huán)境透射電子顯微鏡(In?Environment TEM)記錄了該過程的動態(tài)過程，顯示了NP-SA轉化過程中相互競爭的燒結和霧化過程。此外，密度泛函理論計算表明，當可移動的Pd原子被捕獲到氮摻雜碳的缺陷上時，高溫NP到SA的轉化是由熱力學上更穩(wěn)定的Pd-N4結構的形成所驅動的。熱穩(wěn)定單原子(Pd-SAS)在乙炔半加氫反應中表現出比納米粒子(Pd-NPs)更好的活性和選擇性。（Nature Nanotechnol，2018，13，856）

三、單原子的應用多為將單原子（團簇、納米）催化劑負載在活性炭、氧化鋁、分子篩等粉末或成型載體上（包括金屬絲網、泡沫、高分子膜、陶瓷膜等）?，F在已有的單原子催化劑包括單金屬、雙金屬、多金屬、單原子-納米符合催化劑、單原子-團簇復合催化劑、單原子-團簇-納米復合催化劑。

粉煤灰水熱快速合成FAU型分子篩

介紹

粉煤灰作為一種固體廢棄物，近年來由于大量堆積導致嚴重的自然環(huán)境災害，引起了人們的廣泛關注。目前對粉煤灰綜合利用的案例很多，但大部分利用方式都很簡單，經濟效益非常低，且非常消耗人力，因此并沒有從根源上解決粉煤灰的問題。粉煤灰主要由非晶態(tài)物質和結晶相（包括石英、莫來石、赤鐵礦、針鐵礦和方解石等）組成，含有大量的SiO,和Al5Oy，以及少量的Fe-0g，CaO，MgO,K,O，Na,O和TiO,等其它金屬氧化物。粉煤灰存量大，硅鋁含量高，可以替代化學原料合成在吸附、分離及催化領域具有重要地位的沸石分子篩材料，實現粉煤灰的資源高值化利用。

實驗方案(Methods)

首先探究了晶化溫度、晶化時間、硅鋁比、堿硅比以及水硅比等對合成FAU型分子篩的影響并確定了化學原料合成高純度高結晶度的最佳工藝參數，然后以粉煤灰為原料，適當調整工藝參數通過水熱法快速合成了FAU型分子篩，同時也獲得了快速合成高純度高結晶度Na-A分子篩的最佳

工藝參數。

實驗成果(Results)

在本工作中以粉煤灰作為原料，通過改變合成條件和產物的XRD譜圖對比分析得出以粉煤灰為原料高溫快速制備FAU型分子篩及Na-A分子篩的最佳合成條件。通過表征所得產物，證明合成產物為Na-X和Na-A分子篩，且具有高結晶度，產物大小均勻，具有很好的晶型。

單原子催化劑對氧的活化應用探索

報告人：吳宇恩

通過對有機小分子的聚合-高溫自組裝，可構筑鄰近石墨氮組裝的無金屬碳催化劑。該催化劑不僅可催化芳醚鍵和系列官能團的加氫或氫解，還可催化氮雜環(huán)的無氧脫氫反應加速C-O鍵斷裂。與非貴金屬單原子Fe相結合，可進一步擇增強其氫氣活化能力。

M@SiO2核殼結構納米材料的可控合成及其催化制氫應用

報告人：喬波濤

總結

①采用一鍋反膠束法合成了幾種M@SiO2，該類催化材料具有顆粒小，形貌均一等特點，且對硼氮氫化物脫氫表現出優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性。

②通過調控金屬前驅體用量和反應時間，可以調控金屬內核的數量和外殼SiO2的厚度。

③利用稀土可以調控納米材料的形貌和電子密度，得到具劑活性的蠕蟲狀Ni-CeO2@SiO2核殼結構材料。

原位滲碳策略制備NiMo雙金屬碳化物用于高效堿性析氫反應

報告人：鄭曉忠

①通過“原位滲碳”策略來合成NiMo雙金屬碳化物電催化劑;并展示優(yōu)異的HER性能和出色的穩(wěn)定性(60 h),均優(yōu)于商業(yè)Pt/C。

②利用DFT理論計算揭示NipMo雙位點協同加快水活化和氫脫附過程

③該合成策略有望拓展到其他雙金屬碳化物至其他催化體系(CoMo, NiW, CoW等)的制備，并推廣應用。

鎧甲催化：從概念到應用

報告人：鄧徳會

將金屬納米顆粒限域在碳納米管等載體中，已經成為設計高度耐用的非貴金屬催化劑的一種新穎策略。穩(wěn)定的碳層可保護內部金屬免受破壞性反應環(huán)境的影響，這種催化劑被稱為“鎧甲催化劑”。電子從活性金屬到碳層的轉移激發(fā)了碳表面獨特的催化活性，在各種催化反應體系中得到了廣泛的應用。詳細闡明了決定鎧甲催化劑催化性能的主要因素。鎧甲催化劑由鎧甲層和包裹的金屬納米顆粒兩部分組成： ①催化活性來源于鎧甲層的局域電子態(tài)的擾動和電子從金屬納米顆粒向外表面的轉移；②催化的耐久性則取決于鎧甲材料的內在穩(wěn)定性。

因此，這兩部分的物化性質對催化性能有重要影響。

以ORR為例，作者認為，鎧甲碳層被內部鐵納米顆粒與碳之間的電子相互作用和誘導的電荷重新分布所激活，并已成為催化劑的一部分，在那里促進了O2的吸附和解離，并引發(fā)了ORR。

總之，鎧甲催化劑是當前催化領域不可多得的面向實用化的新理念，將為前沿催化材料的產業(yè)化提供一條獨具特色的道路。