來源：“大化科研繪圖”←關(guān)注它

宇宙中做催化的人都知道，這兩年在催化領(lǐng)域出現(xiàn)在C位期刊上的文章非“單原子”莫屬！那這是為什么呢？

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小編是這感覺的：這兩天都在討論楊振寧老師的偉大之處除了拿了諾獎的宇稱不守恒定律（一臉懵），還有更重要的是在于其楊-米爾斯理論實現(xiàn)了強(qiáng)力和弱力的大統(tǒng)一（真不知道是啥哈）；而單原子催化劑兼具均相催化劑的活性中心和多相催化劑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定易分離的特點，也極有可能是實現(xiàn)催化理論大統(tǒng)一的重要突破口；我想催化人所追求的終極目標(biāo)應(yīng)該就是實現(xiàn)這種理論的同意吧。

這么厲害的催化劑，當(dāng)然在光催化領(lǐng)域的研究也是必不可少的！那在介紹單原子催化劑在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用之前，小編就來聊聊單原子催化這個事兒，以下是推薦閱讀，點擊跳轉(zhuǎn)：

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單原子催化的概念

單原子催化的概念：在說道什么是單原子催化之前，有必要說說什么是催化？

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Catalysis（催化）最早是由Berzelies（1835）明確提出：由催化劑施加給反應(yīng)體系的一種新式的能力（power）。在希臘語中Catalysis原本指“破壞分解”。下面是原文！

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Berzelies (1835): This is a new power to produce chemical activity… When I call it a newpower, I do not mean to imply that it is a capacity independent of theelectrochemical properties of the substance. On the contrary, I am unable tosuppose that it is anything other than a kind of special manifestation ofthese, but as long as we are unable to discover their mutual relationship, itwill simplify our researches to regard it as a separate power for the timebeing. It will also make it easier for us to refer to it if it possesses a nameof its own. I shall therefore call it the catalytic power of the substance, andthe decomposition by means of this power catalysis… Catalytic power actuallymeans that substances are able to awaken affinities which are asleep at this temperature by their mere presence and not by their own affinity.

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在這之后，1888-1905年，W. Ostwald對催化（反應(yīng)）進(jìn)行了一系列的研究，發(fā)展和明確了催化概念。

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W.Ostwald (1895): Any substance that alters the velocity of a chemical reactionwithout modification of the energy factors of the reaction.

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W.Ostwald (1902): A catalyst is any substance that alters the velocity of achemical reaction without appearing in the end product of the reaction.

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W.Ostwald (1902): A substance that changes the velocity of a rxn without itselfbeing changed by the process.

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W. Ostwald這哥們兒是個大人物啊，接二連三發(fā)表重要講話，附照一張，膜拜膜拜！果然帥氣逼人啊。

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Wilhelm Ostwald (1909，圖片來源于網(wǎng)絡(luò))

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在這大牛之后，有權(quán)威的部門很久之后出來說話了，那就是“國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）”，對催化作了統(tǒng)一的規(guī)定。

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IUPAC（1981，只能感嘆，一個純理論的發(fā)現(xiàn)從開始到被證實認(rèn)定真的是要經(jīng)過幾代甚至幾十代人的努力，這期間如你我這般的人雖沒寫在歷史上，但是也是貢獻(xiàn)了自己的青春??！）：A catalyst is asubstance that increases the rate of reaction without modifying the overallstandard Gibbs energy change in the reaction, the process is called catalysis,and areaction in which a catalyst is involved is known as a catalyzed reaction.

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這之后就明確了催化（反應(yīng)）的具體概念，并且一直沿用至今。概念明顯強(qiáng)調(diào)了涉及催化劑的反應(yīng)才叫催化反應(yīng)?？梢姡呋瘎┰诖呋磻?yīng)中是多么重要！那能夠用一套理論去設(shè)計催化劑以達(dá)到想做什么反應(yīng)就做什么反應(yīng)，這又是現(xiàn)階段而且今后很長一段時間需要去摸索的！

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各種均相和非均相的催化反應(yīng)層出不窮；現(xiàn)在，均相催化機(jī)理相對較為明確，但是呢限于催化劑的可持續(xù)利用等缺點，仍然不是最理想的催化劑，非均相才是啊；但是呢，非均相催化的研究機(jī)理由于催化體系的復(fù)雜性一直似乎停滯不前，那么能否有這么一個催化劑把二者結(jié)合起來研究呢？這個時候，單原子催化亮相啦?。ㄒ陨霞儗賯€人YY，不喜勿噴?。∫部梢粤粞杂懻搯眩?/span>

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最近幾十年，納米科學(xué)的發(fā)展更新了人們對催化劑的認(rèn)識，產(chǎn)生了“納米催化”的概念，由于納米催化劑顆粒尺寸小，表面與體積比的分?jǐn)?shù)大，表面原子的鍵態(tài)和電子態(tài)與晶體內(nèi)部不同，原子配位不飽和導(dǎo)致催化劑表面反應(yīng)活性位增加。

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經(jīng)過幾十年催化科學(xué)的發(fā)展，以及納米催化概念和研究方法的出現(xiàn)，人們已經(jīng)掌握很多催化反應(yīng)研究和表征的方法，這些方法有的能給出宏觀層次信息，有的能給出微觀層次信息。但是，人們對于催化的本質(zhì)并沒有充分的認(rèn)識，催化的本征特性還需進(jìn)一步探索。

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隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，催化工作者通過將物理-化學(xué)的新效應(yīng)、新現(xiàn)象和新方法應(yīng)用于催化反應(yīng)的研究，可以更加精確地測定催化劑活性位的結(jié)構(gòu)和數(shù)量，提高對催化劑表面催化過程的分辨能力，進(jìn)而理解催化的本征特性。

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隨著納米科學(xué)的發(fā)展，人們認(rèn)識到催化劑活性組分顆粒尺寸減小所帶來的尺寸效應(yīng)對于催化反應(yīng)具有極大地影響。圖 1 中可以看出，在催化科學(xué)的發(fā)展歷程中，科學(xué)家們通過不斷減小活性金屬粒子的尺寸提高金屬原子利用率，獲得催化劑的高活性。理論上講，催化劑活性組分的極限尺寸為單個原子，此時活性成分的原子利用率為100%，傳統(tǒng)的催化劑以及稱之為“納米和亞納米”的催化劑的原子利用率遠(yuǎn)低于這種理想的水平。

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圖1. 金屬催化劑的發(fā)展歷程。（圖片來自：Acc. Chem. Res.,2013, 46, 1740–1748.）

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2011 年，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所張濤院士課題組成功地制備了 Pt1/FeOx單原子 Pt 催化劑。

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在報道中，首次提出了“單原子催化”的概念。

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經(jīng)過近8年的發(fā)展，催化人從理論以及實驗中發(fā)現(xiàn)單原子催化劑不同于納米和亞納米催化劑。當(dāng)粒子分散度達(dá)到原子尺寸時能夠引起諸如表面自由能、量子尺寸效應(yīng)、不飽和配位環(huán)境和金屬—載體相互作用等性質(zhì)發(fā)生急劇變化。

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正是單個原子與納米（亞納米）粒子顯著不同的特性，因此賦予單原子催化劑的神奇催化性能。

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由于單原子催化劑兼具均相催化劑的均勻單一的活性中心和多相催化劑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、易分離等特點，單原子催化劑被認(rèn)為是架起了均相和非均相催化的橋梁。因此，單原子催化有望將均相、非均相以及酶催化統(tǒng)一，形成 “大”催化理論的重要突破口，可以幫助催化人更好地認(rèn)識催化反應(yīng)（特別是非均相催化反應(yīng)）的本質(zhì)。

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單原子催化劑擁有眾多優(yōu)點的同時，也存在著一些不足，比如當(dāng)金屬粒子減小到單原子水平時，比表面積急劇增大，導(dǎo)致金屬表面自由能急劇增加，并且隨著負(fù)載量的增加，在制備和反應(yīng)時極易發(fā)生團(tuán)聚耦合形成較大的團(tuán)簇，從而導(dǎo)致催化劑失活等。因此，獲得優(yōu)良的穩(wěn)定性和大的負(fù)載量是單原子催化劑制備和應(yīng)用過程中所面臨的巨大挑戰(zhàn)。

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眾所周知，載體的差異會導(dǎo)致負(fù)載于載體表面的金屬活性組分的金屬分散性、電子效應(yīng)以及載體之間相互作用不同；所以，載體的選擇在制備單原子催化劑過程中尤為重要；因此，在單原子催化劑的制備過程中，可以通過尋找與金屬原子存在強(qiáng)相互作用的載體或者對載體改性手段，制備穩(wěn)定性強(qiáng)、負(fù)載量高的單原子催化劑。

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那么，接下來，小編就簡單介紹一些單原子的制備方法了。

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單原子催化劑的制備方法

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制備單原子催化劑，首先需要考慮將孤立的單個原子負(fù)載于載體之上，避免在制備和使用過程中發(fā)生金屬原子的團(tuán)聚。

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理論上，提高單原子金屬的負(fù)載量和避免團(tuán)聚可以采取兩種措施：一是增大載體的表面積，二是增強(qiáng)金屬和載體的相互作用。

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基于以上兩種措施，單原子催化劑制備方法主要有共沉淀法、浸漬法、質(zhì)量分離軟著陸法、原子層沉積法等。

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下面將對單原子催化劑的制備方法進(jìn)行簡要的總結(jié)。

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共沉淀法

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共沉淀法：共沉淀法是最早被采用合成單原子催化劑的手段之一。

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共沉淀法通過在溶液中加入兩種以上的金屬鹽，形成均一溶液，再通過沉淀劑的作用形成沉淀。所得的沉淀經(jīng)后續(xù)煅燒處理，即可合成負(fù)載單原子金屬的催化劑。共沉淀法作為一種成熟的催化劑的制備方法，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于催化劑的制備過程之中。

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宇宙中第一篇關(guān)于單原子催化的論文于2011 年喬波濤（現(xiàn)任大連化物所研究員）首先利用共沉淀法制備了Pt1/FeOx單原子Pt催化劑。

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具體制備過程如下:?首先將貴金屬的前驅(qū)體（氯鉑酸）以及 Fe(NO3)3在水溶液中混合，調(diào)節(jié)溶液 pH =11 使貴金屬與載體同時沉淀。經(jīng)過后期過濾，洗滌，焙燒得到單原子Pt1/FeOx。

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共沉淀法制備簡單等特點使得其被廣泛應(yīng)用于單原子催化劑的制備過程中。

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該方法的不足在于: 金屬負(fù)載量不能過高，催化劑制備過程中的多個參數(shù)都對催化劑性能影響很大，需要嚴(yán)格控制，這些影響因素包括前驅(qū)體的加入速度、液滴大小、攪拌程度、反應(yīng)溫度、pH 值以及反應(yīng)時間等。另外，共沉淀法制備單原子催化劑的過程中，一些金屬原子會被掩埋于載體聚集界面或包裹于載體中，這些被掩埋的單個金屬原子不能與反應(yīng)分子接觸并參與反應(yīng)，因此，在很大程度上降低了單原子催化劑的性能。

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浸漬法

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浸漬法：浸漬法是傳統(tǒng)多相催化劑經(jīng)典制備方法之一，其方法又可以分為等體積浸漬和過量浸漬法。浸漬法是負(fù)載型催化劑廣泛采用的制備方法之一。

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制備過程中，含有催化活性組分的溶液中放入催化劑載體，活性物質(zhì)在載體表面吸附后，除去剩余液體，將剩余組分進(jìn)行干燥或焙燒、活化等過程，最終可制得所需催化劑。

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浸漬法適合大多數(shù)載體，尤其是在已成型的納米材料之上制備單原子催化劑，但這種方法并不能制備高金屬負(fù)載量的單原子金屬催化劑。

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等體積浸漬法雖然具有操作簡單，不會浪費昂貴的金屬原料的優(yōu)點，但是，等體積浸漬法很難保證金屬原子以單個原子的形式均勻地分散在載體的表面。過量浸漬法依賴于載體表面對前驅(qū)體溶液的吸附容量，這種方法是否能夠得到單原子催化劑以及金屬原子負(fù)載量的高低與金屬和載體之間相互作用的強(qiáng)弱息息相關(guān)。

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由于溶液酸堿性不同，當(dāng)氧化物載體分散于水溶液中時，會發(fā)生極化并帶上電荷，在酸性溶液中，表面吸附位點(M-OH)帶正電荷，并被陰離子覆蓋，而在堿性溶液中，表面吸附位點(M-OH)帶負(fù)電荷，并被陽離子覆蓋。根據(jù) Brunelle 吸附理論模型，控制金屬分散性的關(guān)鍵參數(shù)包括: 金屬前驅(qū)體的類型和濃度、水溶液的 pH 值、載體和載體表面官能團(tuán)的類型等。

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在浸漬法中利用金屬原子的配位形式以及浸漬溶液對金屬吸附行為進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終可得到單原子分散的催化劑。

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張濤院士課題組也報道了通過浸漬法合成的以氧化鋅納米線為載體的單原子Rh催化劑（Rh1/ZnO）。

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具體合成方案為：將氧化鋅納米線分散在去離子水中，之后向溶液中逐滴加入合適濃度的三氯化銠溶液，攪拌３小時并熟化１小時后，將沉淀物過濾并洗滌干燥，將干燥好的樣品在H2/Ar混合氣中200 °Ｃ下煅燒0.5小時，最終得到分散在氧化鋅納米線上的單原子Rh催化劑。

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沉積-沉淀法

沉積-沉淀法：溶液中金屬鹽離子和堿反應(yīng)生成金屬氫氧化物或碳酸鹽等沉積在載體表面上，制備催化劑的一種方法。

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在沉積-沉淀法制備催化劑過程中，通過控制金屬鹽的濃度可以得到分散度高的催化劑甚至單原子催化劑。利用沉積-沉淀法制備單原子催化劑的關(guān)鍵是金屬離子沉積到載體的表面上，一定要達(dá)到原子級分散的狀態(tài)，這種方法適合于制備均勻負(fù)載的單原子催化劑，但其缺點在于負(fù)載量很低。目前，通過在載體表面修飾上可以與金屬離子的前驅(qū)體溶液進(jìn)行相互作用的位點，可以得到負(fù)載量較高的單原子催化劑。

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強(qiáng)靜電吸附法

強(qiáng)靜電吸附法：Brunelle吸附模型理論認(rèn)為大多數(shù)貴金屬配合物可以通過庫侖力吸附于載體之上。

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在制備單原子催化劑的方法中，金屬離子配合物通過強(qiáng)靜電作用吸附到載體表面，是制備高品質(zhì)單原子金屬(尤其是貴金屬)催化劑的重要方法。

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眾所周知，氧化物表面往往覆蓋一層－OH，在水溶液中時，氧化物在等電點之下會帶正電，在等電點之上會帶負(fù)電。當(dāng)金屬離子配合物錨定于載體表面時，會形成一層單層，后處理去除影響金屬原子穩(wěn)定性的配體，可以實現(xiàn)金屬單原子最大限度的負(fù)載。

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通過實驗發(fā)現(xiàn)，載體表面不均勻的官能團(tuán)和缺陷、溶液的 pH 值等會影響金屬配合物在載體表面的吸附行為，進(jìn)而影響最終得到的單原子催化劑的質(zhì)量。所以選擇合適的載體、載體表面功能化，以及強(qiáng)錨定物種(金屬或者貴金屬)是制備高穩(wěn)定性單原子催化劑的關(guān)鍵。

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2016 年廈門大學(xué)鄭南峰教授課題組利用光化學(xué)輔助結(jié)合強(qiáng)靜電吸附方法合成了Pd1/TiO2單原子Pd催化劑，Pd的負(fù)載量高達(dá)1.5%，且該催化劑在加氫反應(yīng)中表現(xiàn)出了很好的活性(商業(yè)催化劑的 9 ～55 倍)。

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原子層沉積法

原子層沉積法：20世紀(jì)70年代中期，Suntola 博士等在尋找一種高質(zhì)量的電致發(fā)光薄膜材料過程中開發(fā)了一種薄膜沉積技術(shù)，即原子層沉積，簡稱 ALD，該方法是一種將載體材料交替暴露于不同反應(yīng)前驅(qū)體的脈沖蒸汽中，物質(zhì)以自限制的方式逐個原子層地沉積在載體表面的方法。

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ALD 可以精確地控制沉積參數(shù)，使得金屬原子在載體表面均勻沉積且重復(fù)性好，而且 ALD 亦可精確控制不同材料以原子層的方式生長來形成具有不同形貌的復(fù)合物，探索顆粒尺寸、載體表面特性，金屬或者合金納米顆粒表面的包裹層為催化基礎(chǔ)研究提供理想的模型催化劑。

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ALD 手段可以通過選擇不同的金屬前驅(qū)體得到高分散和高負(fù)載量的單原子催化劑，同時這種方法具有自限制性能夠有效阻止所沉積金屬的聚集。

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目前，由于 ALD 技術(shù)的精確可控，自限制等眾多優(yōu)點，使得 ALD 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制備單原子催化劑的過程之中。

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總之，ALD 是研究負(fù)載型單原子催化劑的合成及構(gòu)效關(guān)系的重要手段。Piernavieja-Hermida等人報道了通過兩步ALD過程制備二氧化鈦包覆的單原子Pd催化劑。首先，含Pd的前驅(qū)物吸附在三氧化二鋁基底上。含Pd前驅(qū)物的配體由于空間位阻效應(yīng)有效地抑制了Pd原子的團(tuán)聚。第二步，再次通過ALD手段將二氧化鈦選擇性地沉積在三氧化二鋁基底上，在含Pd前驅(qū)物周圍形成二氧化鈦納米孔洞。將含Pd前驅(qū)物的配體移除后得到二氧化鈦納米孔洞包圍的單原子Pd催化劑。

有機(jī)金屬配合物法

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有機(jī)金屬配合物法：利用具有確定結(jié)構(gòu)的分子配合物能夠和載體表面官能團(tuán)發(fā)生配位反應(yīng)的特點，使金屬物種錨定于載體表面，從而制備確定金屬原子位置的單原子催化劑的方法。

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利用有機(jī)金屬配合物法制備單原子催化劑時，為了保持分子配合物的特性，需要配體和載體表面官能團(tuán)之間存在強(qiáng)相互作用。這種方法利用具有精確的分子配合物制備孤立位點負(fù)載型催化劑時，可以精確控制金屬原子的位置、數(shù)量以及單原子催化劑的結(jié)構(gòu)，為催化機(jī)制研究提供了理想的模型催化劑。

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熱解合成法

熱解合成法：適合于基團(tuán)修飾的多孔碳基材料作為載體合成單原子催化劑，具體通過以下步驟：

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首先，金屬的前驅(qū)體可以與被修飾基團(tuán)發(fā)生配位作用，而嵌入到多孔材料表面上，然后，將所得到的催化前驅(qū)材料在惰性氛圍內(nèi)高溫處理即可得到目標(biāo)單原子催化劑。

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這種方法適用于制備以高比表面碳基材料為載體的高負(fù)載量的單原子催化劑。（M-NC催化劑，熟悉吧?。┖铣商蓟鶈卧哟呋瘎┢毡椴捎玫暮铣煞椒ā４朔N方法一般需要將金屬前驅(qū)體負(fù)載在碳基前驅(qū)體上，再經(jīng)后續(xù)高溫煅燒，所合成的最終產(chǎn)物一般為石墨烯負(fù)載的單原子催化劑。

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萊斯大學(xué)James M. Tour教授課題組通過熱解法合成了石墨烯負(fù)載的單原子Co催化劑。氧化石墨烯與氯化亞鈷混合分散在水中，并經(jīng)過超聲得到均一分散溶液。所得溶液經(jīng)冷凍千燥后在NH3/Ar混合氣中750 ℃下鍛燒１小時，即得到石墨烯負(fù)載的單原子Co催化劑。

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張濤院士課題組的劉文剛博士（現(xiàn)任青島科技大學(xué)副教授）等人也通過類似方法合成了單原子M-NC（M=Fe、Co、Ni）催化劑并成功應(yīng)用于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化（好像沒說錯吧）。

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此外，對金屬有機(jī)框架化合物（MOFs）及衍生物等前驅(qū)物進(jìn)行熱解也是近年發(fā)展起來的合成單原子催化劑的有效手段。以MOFs為例，MOFs為金屬節(jié)點與有機(jī)配體通過配位鍵自組裝而成的三維晶態(tài)多孔材料。金屬離子在MOFs．中可呈單原子分散狀態(tài)，而與金屬離子配位的有機(jī)配體在熱解過程中轉(zhuǎn)化為碳基載體。因此，MOFs及其衍生物是構(gòu)建碳基單原子催化劑非常理想的前驅(qū)體。

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圖2. Co SAs催化劑的合成示意圖。（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.,?2017,?8078–8081)

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清華大學(xué)李亞棟院士領(lǐng)銜的課題組合作發(fā)展了一種利用MOFs高溫?zé)峤獾姆椒?，制備了Co單原子催化劑。如圖2所示，在MOFs合成過程中加入兩種金屬Zn和Co的金屬鹽，制備了含有兩種金屬節(jié)點的MOFs材料。通過控制易揮發(fā)性的Zn的加入量來控制Co原子之間的空間距離。在高溫?zé)峤膺^程中Zn原子在高溫下?lián)]發(fā)從而得以去除，有機(jī)配體在熱解過程中轉(zhuǎn)化為氮摻雜的多孔碳基底，并固定單原子Co，最終制得氮摻雜的多孔碳負(fù)載的單原子Co催化劑（Co NPs-N/C）。未加入Zn鹽而只有Co原子的MOFs在熱解過程中，Co原子則團(tuán)聚為顆粒，最終制得的催化劑為氮摻雜的多孔碳負(fù)載的Co顆粒催化劑（Co NPs-N/C）。其課題組也以此方法制得了氮摻雜的多孔碳負(fù)載的Ni、Ru、Fe等單原子催化劑。

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當(dāng)然，此種方法的變體較多，類似的方法還有張濤院士課題組的黃延強(qiáng)研究員與新加坡南洋理工的劉彬教授合作發(fā)表在Nature Energy上的Ni-N/C，其第一作者為南洋理工的博士后楊鴻斌老師（現(xiàn)任蘇州科技大學(xué)教授）；以及大連化物所包信和院士課題組的汪國雄研究員發(fā)表在Energy andEnvironmental Science上的Ni-N/C單原子材料。（M-N/C出的可都是大文章啊，你我都不敢想的呀，這類材料對于研究催化反應(yīng)真的再合適不過了，是否還有新的契機(jī)呢？看運氣吧）。

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高溫氣相捕集法

高溫氣相捕集法：此方法是指在高溫氧化氛圍內(nèi)，金屬前驅(qū)體可以被氧化成氧化物（MOx），這些氧化物在高溫條件下可以被載體捕集，沉積在載體的表面，進(jìn)而得到單原子催化劑。

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2016 年，Jones 等利用高溫氣相捕集法制備了具有高溫穩(wěn)定性的 Pt1/CeO2單原子催化劑，所得到的單原子 Pt 催化劑對 CO 氧化反應(yīng)時表現(xiàn)出了極好的高溫抗燒結(jié)性能。這種方法適合于制備以納米晶為載體的單原子貴金屬催化劑。

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限域效應(yīng)禁錮法

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限域效應(yīng)禁錮法：此種方法是利用化合物的限域效應(yīng)，將單個金屬原子禁錮于載體的晶格或孔道之中，制備單原子催化劑的方法。2012年，復(fù)旦大學(xué)唐幸福教授課題組利用 MnO2的孔道限域效應(yīng)得到了 Ag 負(fù)載量高達(dá) 10 % 的MnO2 擔(dān)載的單原子Ag催化劑，該催化劑對于甲醛氧化反應(yīng)具有極好的催化效果。

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除了上述方法外，固相熔融法、逐步連續(xù)還原法、燃燒法、離子交換-NaBH4還原法、高溫氣相輸運法等方法也可以合成單原子催化劑；近年來，由于單原子催化劑的火速發(fā)展，其具體合成方法也得到了快速的發(fā)展，下一個是不是你呢？你也可以為單原子的發(fā)展添磚加瓦喲，C位期刊等著你呢，成功逆襲的絕佳機(jī)會，快快加油吧！

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介紹一通單原子催化劑的合成方法之后，我們也簡單聊聊單原子催化劑的特性唄！

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單原子催化的特性

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金屬單原子催化劑主要具有以下獨特的性質(zhì)：

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(a)? 金屬活性中心處于低配位環(huán)境中，導(dǎo)致金屬的表面自由能增加，從而增加了金屬位點與載體及被吸附物質(zhì)間的化學(xué)作用；

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(b)? 負(fù)載型單原子催化劑中每個金屬原子分別作為一個反應(yīng)活性位點，較相應(yīng)的負(fù)載型金屬顆粒催化劑具有較高的催化活性及特定產(chǎn)物選擇性；

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(c)? 負(fù)載型金屬單原子催化劑在合成時金屬前驅(qū)體用量較少，較合成相應(yīng)的負(fù)載型金屬顆粒更節(jié)約資源；

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(d)? 在液相反應(yīng)中，負(fù)載型金屬單原子催化劑的催化活性可與相應(yīng)的均相催化劑比擬，同時負(fù)載型金屬單原子催化劑可回收再利用，克服了均相催化劑不可回收的缺點。

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當(dāng)然，對于一種才發(fā)展不到10年的新型催化劑，單原子催化劑還有居多獨特的理化性質(zhì)待廣大科研工作者的進(jìn)一步探索，從而進(jìn)一步深化單原子催化劑對催化過程的影響。

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簡單闡述完單原子催化的特性之后，那么再就來聊聊單原子催化在光電催化領(lǐng)域的應(yīng)用哈。

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單原子催化在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用

光催化在清潔能源的存儲與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域扮演著重要的角色，將取之不盡用之不竭的太陽能轉(zhuǎn)化為可存儲的化學(xué)能、電能等是發(fā)展可再生能源、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的重要途徑之一。對于光催化反應(yīng)的三個基本過程：光吸收、光生載流子分離以及表面的催化反應(yīng)而言，光生載流子的復(fù)合以及遲緩的表面反應(yīng)嚴(yán)重制約著光催化的能量轉(zhuǎn)換效率。

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如何將光生電子與空穴有效的分離是光催化分解水產(chǎn)氫研究領(lǐng)域的一項重要課題。

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據(jù)現(xiàn)有研究表明：單原子催化劑在光催化方向的應(yīng)用主要包括光催化分解水產(chǎn)氫以及光催化CO2還原。

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在光催化劑上引入單原子催化位點可以有效地調(diào)控光生載流子的分離以及表面的催化反應(yīng)，從而提升光催化劑的催化性能以及光催化的能量轉(zhuǎn)化效率。

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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)韋世強(qiáng)教授課題組通過磷化在g-C3N4上構(gòu)筑了單原子Co催化活性位點（Co1-phosphide/PCN）。Co1-phosphide/PCN中的單原子Co活性位點同時調(diào)控了光生載流子分離和后續(xù)的催化反應(yīng)活性（圖3），實現(xiàn)了高效的光催化全解水性能。同時單原子Co的引入極大地降低了g-C3N4的光致發(fā)光強(qiáng)度，表明光生載流子的復(fù)合被嚴(yán)重抑制，還發(fā)現(xiàn)認(rèn)為單原子Co活性位點加速了光生載流子的分離從而縮短了g-C3N4基底的熒光壽命。光催化性能測試表明，Co1-phosphide/PCN表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化全解水性能，所產(chǎn)生的氫氣和氧氣比例為2:1。在420 nm光激發(fā)下，催化劑的量子效率可達(dá)3.6%。相比空白樣g-C3N4、PCN以及負(fù)載CoP團(tuán)簇的PCN等樣品，其光催化分解水性能得到巨幅提升。

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圖3. Co1-phosphide/PCN光催化全解水示意圖。（圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 9312–9317）

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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的宋禮教授和熊宇杰教授課題組報道了部分氧化的石墨烯負(fù)載的單原子Co，用于CO2的光催化還原反應(yīng)。［Ru(bpy)3］Cl2作為光吸收劑，光生載流子經(jīng)石墨烯傳遞到活性位點單原子Co上，進(jìn)行后續(xù)的CO2還原反應(yīng)。石墨烯作為橋梁，將光吸收劑和催化活性位點連接起來，并提供快速的光生電子傳輸通道，抑制光生載流子的復(fù)合。光生電子在單原子Co活性位點上進(jìn)行CO2還原，并高效地將其還原至CO，催化轉(zhuǎn)化數(shù)為378，催化轉(zhuǎn)換頻率為3.77 min^?1，優(yōu)于經(jīng)典的異質(zhì)光催化劑。此項工作為在光催化劑上構(gòu)建活催化活性位點提供了新思路。

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當(dāng)然，單原子催化在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用還遠(yuǎn)不止這些例子，研究太多，從單原子催化提出至今，從國內(nèi)到國外，從地球到宇宙，還有很多很多不惜辛勞在這一領(lǐng)域耕耘，還希望各位在留言區(qū)多多討論在這一領(lǐng)域深耕的科研工作者們。由于單原子催化科學(xué)還在起步階段，很難做到針對某一反應(yīng)去設(shè)計具有高效催化效率的單原子催化劑，同時，某些反應(yīng)可能需要催化劑表面上的兩個或兩個以上的金屬原子協(xié)同才能夠完成催化反應(yīng)。因此，目前單原子催化劑的設(shè)計與應(yīng)用還存在很大的局限性，這些問題的存在需要研究者們投入更多精力去研究、了解單原子催化劑催化反應(yīng)的過程，推動單原子催化科學(xué)的進(jìn)步。

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自2011 年“單原子催化”概念提出以來，催化工作者已經(jīng)制備了大量不同類型的單原子催化劑（可以說周期表已經(jīng)被玩兒了一遍又一遍吧），研究發(fā)現(xiàn)，對于某些反應(yīng)，單原子催化劑與傳統(tǒng)催化劑相比具有更高的活性和選擇性。值得一提的是，“單原子催化”是一個由中國催化界提出并影響著國際催化領(lǐng)域發(fā)展的概念，“單原子催化”概念已提出了8年多的時間，在此期間，雖然對于單原子催化劑的研究已經(jīng)取得了諸多優(yōu)異的成果，但是，單原子催化學(xué)說的發(fā)展還停留在起步階段，尤其是單原子催化劑還存在著制備方法不成熟、負(fù)載量較低、熱穩(wěn)定較差以及可催化反應(yīng)的局限性等缺陷。需要催化工作者尤其是單原子催化工作者們投入大量的精力去發(fā)展單原子催化科學(xué)。另外，單原子催化機(jī)制也需要更多的工作去研究和發(fā)現(xiàn)。相信，隨著科技的進(jìn)步，新的合成方法和先進(jìn)的表征手段出現(xiàn)，深入的機(jī)制研究以及精確的理論計算等，一定會促進(jìn)單原子催化科學(xué)的發(fā)展，最終得到工業(yè)化應(yīng)用的進(jìn)程。

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聊到這里，關(guān)于單原子催化在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用到這里就要告一段落了。本文的撰寫小編參考了不少課題組的文獻(xiàn)資料，主要涉及中科院大連化物所張濤院士課題組，清華大學(xué)李亞棟院士課題組，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)謝毅院士課題組以及北京工業(yè)大學(xué)何洪教授課題組。那下面小編也在此一一簡介一下各位大佬。

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張濤，物理化學(xué)家，中國科學(xué)院院士、發(fā)展中國家科學(xué)院院士，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院副院長、黨組成員。

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1989年張濤獲得中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所博士學(xué)位，之后前往英國伯明翰大學(xué)做訪問學(xué)者。1990年回國后進(jìn)入中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所工作，歷任研究組副組長、組長、室主任、副所長、黨委書記等職務(wù)。2003年獲得國家杰出青年科學(xué)基金資助。2007年至2017年擔(dān)任中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所所長。2008年獲得中國催化青年獎。2009年獲得全國五一勞動獎?wù)隆?012年當(dāng)選英國皇家化學(xué)會會士。2013年增選為中國科學(xué)院院士。2016年獲得何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎，同年出任中國科學(xué)院副院長、黨組成員。2018年當(dāng)選發(fā)展中國家科學(xué)院院士。

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張濤主要從事能源化工及催化新材料等方面的研究，研究方向包括：航天飛行器姿態(tài)控制催化劑；環(huán)境催化（NOx和CO脫除）；單原子催化；生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化。

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課題組主頁：http://www.taozhang.dicp.ac.cn/

李亞棟，無機(jī)化學(xué)家，中國科學(xué)院院士、發(fā)展中國家科學(xué)院院士，清華大學(xué)化學(xué)系教授、博士生導(dǎo)師、無機(jī)化學(xué)研究所所長、系學(xué)術(shù)委員會主任。

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1986年李亞棟從安徽師范大學(xué)化學(xué)系本科畢業(yè)，獲得學(xué)士學(xué)位；1991年從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系碩士畢業(yè)后留校任教，先后擔(dān)任化學(xué)系助教、講師、副教授；1998年獲得中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)系博士學(xué)位，同年入選首批清華大學(xué)百人計劃；1999年擔(dān)任清華大學(xué)化學(xué)系教授，博士生導(dǎo)師；2000年獲得國家杰出青年科學(xué)基金資助；2001年被聘為教育部“長江學(xué)者獎勵計劃”特聘教授；2004年入選新世紀(jì)百千萬人才工程國家級人選；2011年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士；2014年當(dāng)選發(fā)展中國家科學(xué)院院士。

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李亞棟主要從事無機(jī)功能納米材料的合成、結(jié)構(gòu)、性能及其應(yīng)用研究，致力于挑戰(zhàn)金屬團(tuán)簇、單原子催化劑以期實現(xiàn)非貴金屬替代貴金屬催化劑、探索實現(xiàn)催化新反應(yīng)，解決催化劑均相催化異項化實驗室與工業(yè)化技術(shù)難題。

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課題組主頁：http://www.liyadong-group.com/

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謝毅，中國科學(xué)院院士、發(fā)展中國家科學(xué)院院士，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室教授。

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1984年謝毅從阜陽一中考入廈門大學(xué)化學(xué)系；1992年考取中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系研究生；1996年博士畢業(yè)后留在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)系任教，先后擔(dān)任副教授、教授、博士生導(dǎo)師；1997年前往美國紐約州立大學(xué)石溪分?；瘜W(xué)系進(jìn)行博士后研究；1998年獲得國家杰出青年科學(xué)基金；2000年入選教育部第三批長江學(xué)者特聘教授，是化學(xué)領(lǐng)域第一位女性長江學(xué)者；2003年謝毅作為學(xué)術(shù)帶頭人主持化學(xué)科學(xué)部創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項目；2009年擔(dān)任科技部重大研究計劃“節(jié)能領(lǐng)域納米材料機(jī)敏特性的關(guān)鍵科學(xué)問題研究”項目首席科學(xué)家；2013年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士，同年獲得國際化學(xué)化工杰出女性獎，是首位獲獎的華人科學(xué)家；2015年獲得世界杰出女科學(xué)家獎，同年當(dāng)選發(fā)展中國家科學(xué)院院士。2017年獲得全國創(chuàng)新爭先獎?wù)隆?/span>

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謝毅主要從事無機(jī)固體功能材料的制備、結(jié)構(gòu)、理論和性能，以及無機(jī)納米材料合成方法學(xué)及基于電、聲調(diào)制的無機(jī)功能固體設(shè)計的研究。

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課題組主頁：http://staff.ustc.edu.cn/~yxie/index.htm

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本期關(guān)于單原子催化光催化篇的介紹到這里就要結(jié)束了，單原子催化目前應(yīng)該是處在催化研究領(lǐng)域的前沿，歡迎對單原子催化感興趣的在文末一起溝通探討關(guān)于此領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展！下期我們接著聊單原子催化在電催化領(lǐng)域應(yīng)用的那點兒事兒喲！

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愿每一個碩博都眼里有光、心里有海、身邊有人、臉上有笑！