單原子催化劑（SACs）已成為催化和能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域最具吸引力的前沿研究領(lǐng)域之一，但由于SACs的原子非均質(zhì)性和集合平均測量的局限性，控制特定催化性質(zhì)和機(jī)制的基本活性位點(diǎn)在很大程度上仍然不清楚。

基于此，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所董紹俊院士和美國紐約州立大學(xué)石溪分校Jin Wang（共同通訊作者）等人報道了一種單原子催化-熒光相關(guān)光譜（single-atom catalysis-fluorescence correlation spectroscopy, SAC-FCS）的定量方法。利用原子結(jié)構(gòu)依賴的催化動力學(xué)和單分子熒光顯微鏡的單次周轉(zhuǎn)分辨率，作者能研究不同的鐵-氮（Fe-N）配位SACs上的類氧化酶單分子催化，量化活性位點(diǎn)及其動力學(xué)參數(shù)。

通過將單次轉(zhuǎn)化反應(yīng)的自相關(guān)性和不同的原子位點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，作者成功地解析了FeN_x/C SACs上單分子氧化酶催化的實(shí)時熒光軌跡。通過SAC-FCS方法的自相關(guān)計算，從雜化單原子位點(diǎn)識別和量化內(nèi)在的類氧化酶活性中心。此外，作者還揭示了FeN_x/C SACs中FeN₅活性位點(diǎn)的重要原子和催化動力學(xué)參數(shù)，其中類氧化酶活性位點(diǎn)的活性位點(diǎn)比例約為26%，活性位點(diǎn)對非均相類氧化酶催化反應(yīng)的催化速率常數(shù)分別比FeN_x/C SACs中的非活性位點(diǎn)和酞菁鐵中的FeN₄位點(diǎn)高182倍和1463倍。作者期望該方法將為SACs的合理設(shè)計和應(yīng)用提供重要的見解。

近年來，單原子催化劑（SACs）在熱催化、光催化和電催化領(lǐng)域最具創(chuàng)新性的非均相催化劑，其原子分散金屬中心固定在支撐基質(zhì)上，其最大的原子利用效率和簡化的催化位點(diǎn)構(gòu)型在機(jī)理研究和單原子催化方面顯示出巨大的潛力。然而，異質(zhì)底物和配位相互作用傾向于在SACs中構(gòu)建不同的原子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致多種催化性能和反應(yīng)動力學(xué)。特別是，F(xiàn)e-N配位（FeN_x/C）SACs通過不可控?zé)峤鈺a(chǎn)生多種具有不同催化活性的活性基團(tuán)。由于氧分子的電子推動作用，軸向N配位的FeN₅活性位點(diǎn)具有與血紅素相似的活性，比共面FeN₄活性位點(diǎn)高得多的類氧化酶活性。但是，由于SACs中原子位點(diǎn)的不均勻性和表征分辨率的不高，混合的單原子位點(diǎn)對活性物質(zhì)的重要催化和動力學(xué)性質(zhì)的影響非常模糊。因此，迫切需要創(chuàng)新的技術(shù)和方法來確定實(shí)際的活性位點(diǎn)和潛在的單原子催化機(jī)制。

對于SACs的非均相催化，分子反應(yīng)動力學(xué)與不同催化位點(diǎn)的原子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，可以從單分子反應(yīng)的動力學(xué)行為中解卷積活性位點(diǎn)?；趩畏肿訜晒怙@微鏡的熒光相關(guān)光譜（FCS）可以定量評估單周轉(zhuǎn)率分辨率下的時間相關(guān)熒光波動，因此當(dāng)熒光分子作為反應(yīng)物/生成物時，熒光轉(zhuǎn)換軌跡反映了每個單獨(dú)位點(diǎn)的催化動力學(xué)，有利于識別多個催化位點(diǎn)。

SAC-FCS的方法和機(jī)制

SAC-FCS方法將單分子熒光測量與自相關(guān)光譜計算相結(jié)合，通過對單個化學(xué)反應(yīng)的實(shí)時熒光觀察，可以定量研究單個位點(diǎn)上的分子反應(yīng)動力學(xué)。非熒光底物首先通過SACs單原子位點(diǎn)的多相催化轉(zhuǎn)化為熒光分子，然后雪崩光電二極管（APD）檢測到在照射區(qū)域產(chǎn)生的熒光信號并將其轉(zhuǎn)化為電脈沖信號，反映了底層光子動力學(xué)的信息。接著，光子計數(shù)器記錄每個光子的到達(dá)時間。因此，所開發(fā)的SAC-FCS方法不僅可以監(jiān)測整個觀測區(qū)域的原子位置和催化過程，而且可以同時區(qū)分熒光信號的各個單獨(dú)軌跡。

圖1. SAC-FCS的設(shè)置和機(jī)制

模型催化劑

作者構(gòu)建了單位點(diǎn)金屬酞菁的標(biāo)準(zhǔn)催化模型，以驗證SAC-FCS方法。該模型是通過在光照區(qū)域均勻固定FePc和CoPc分子（表示為FePc/CoPc-a，其中a=0.1, 0.2…0.9，a×100%表示模型中FePc的百分比）來建立的，并在以O(shè)PD和O₂為底物的微流動池中進(jìn)行。范圍內(nèi)不同催化中心的分布可以近似地看作是原子位置不同的2D SACs。此外，F(xiàn)CS的最小時間分辨率遠(yuǎn)低于單原子位置氧化還原催化反應(yīng)的微秒時間間隔。針對觀測區(qū)域內(nèi)存在多個催化位點(diǎn)，通過求導(dǎo)等待時間的累積概率分布，可得到不同催化過程的概率密度函數(shù)。因此，熒光轉(zhuǎn)換軌跡在單次轉(zhuǎn)換分辨率下反映了無序的催化行為，并且可通過自相關(guān)函數(shù)的統(tǒng)計自相關(guān)譜來量化。

圖3.單原子模型與SAC-FCS分析

SAC-FCS的應(yīng)用和擴(kuò)展

作者將SAC-FCS方法的應(yīng)用擴(kuò)展到FeN_x/C SACs體系（其中x表示Fe原子的第一殼層N配位數(shù)，x=4, 5, 6），該體系由原子分散的Fe與多個N位點(diǎn)配位結(jié)構(gòu)組成。像差校正的STEM和EDS顯示，F(xiàn)e原子分散在碳載體上，F(xiàn)e和N原子均勻分布在整個結(jié)構(gòu)域。在STEM中，不同的FeN_x/C-b SACs的Fe單原子密度逐漸增加，沒有任何金屬團(tuán)簇或納米顆粒，表明限制MOF前驅(qū)體有利于原子彌散。在一定范圍內(nèi)，隨著Fe原子負(fù)載量的增加，實(shí)際活性位點(diǎn)的比值沒有明顯變化，因此增加金屬負(fù)載可在一定程度上提高表觀活性。

圖3. SAC-FCS鑒定活性位點(diǎn)

密度泛函理論（DFT）計算，表明FeN₅位點(diǎn)的有利機(jī)理。根據(jù)FeN_x/C原子中心電荷密度差發(fā)現(xiàn)，不對稱的FeN₅配位結(jié)構(gòu)顯著改變了電子結(jié)構(gòu)，拉伸了Fe-N鍵，增強(qiáng)了Fe-N電荷轉(zhuǎn)移，并通過電子推入效應(yīng)激活氧分子。同時，中心Fe位點(diǎn)的偏態(tài)密度（PDOS）顯示，F(xiàn)eN₅中d-帶中心的負(fù)位移，導(dǎo)致含氧中間體（*OOH*、*O和*OH）在FeN₅位點(diǎn)上的吸附強(qiáng)度較弱，而氧還原活性較高。FeN_x/C SACs的回收實(shí)驗表明，在經(jīng)過5次循環(huán)后，轉(zhuǎn)化率和選擇性沒有明顯下降，表明催化劑的穩(wěn)定性顯著。

圖4.單原子動力學(xué)和機(jī)理分析

Identifying the active sites in unequal iron-nitrogen single-atom catalysts. Nat. Commun., 2023, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-41311-9.