單原子催化劑或原子級(jí)分散金屬催化劑的有效合成及應(yīng)用，是近年來(lái)催化和材料研究領(lǐng)域非常重要的研究方向。由于活性組分的高度分散、金屬利用效率的大幅度提升以及活性中心與相鄰配位原子相互作用，單原子催化劑或原子級(jí)分散金屬催化劑在諸如CO氧化反應(yīng)、有機(jī)加氫反應(yīng)和氧還原反應(yīng)等過(guò)程中表現(xiàn)出優(yōu)異的活性、穩(wěn)定性和選擇性。

清華大學(xué)材料學(xué)院伍暉課題組聯(lián)合北航物理系劉利民課題組、清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院張瀟源課題組和安徽大學(xué)葛炳輝課題組在Nature Communications上在線(xiàn)發(fā)表了題為《零下六十?dāng)z氏度液相合成高性能原子級(jí)分散金屬鈷催化劑》（-60°C solution synthesis of atomically dispersed cobalt electrocatalyst with superior performance）的研究論文。

該論文創(chuàng)造性地將溶液合成的溫度降低至零下六十?dāng)z氏度，解決了溶液合成過(guò)程中的原子快速團(tuán)聚、形核和生長(zhǎng)的關(guān)鍵問(wèn)題，獲得了具有高活性、高穩(wěn)定性和高器件功率輸出的原子級(jí)分散金屬鈷基的氧還原電催化劑，為大規(guī)模溶液合成原子級(jí)分散金屬催化劑提供了嶄新的研究思路。

為了實(shí)現(xiàn)溶液合成策略中金屬原子形核過(guò)程的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)調(diào)控，研究團(tuán)隊(duì)利用低溫溶液環(huán)境中顯著提高合成產(chǎn)物的形核勢(shì)壘，降低產(chǎn)物形核動(dòng)力學(xué)速率，提出了一種基礎(chǔ)且通用的低溫溶液合成穩(wěn)定的原子級(jí)分散金屬催化劑的策略 (圖1)。

圖1 零下六十?dāng)z氏度和室溫溶液合成中形核調(diào)控的對(duì)比示意圖

低溫溶液合成并經(jīng)高溫活化穩(wěn)定的原子級(jí)分散金屬鈷基催化劑與傳統(tǒng)團(tuán)簇/納米顆粒催化劑和商業(yè)Pt/C相比，在中性(0.05 M PBS磷酸緩沖液)和堿性(0.1 M KOH)的電解液環(huán)境中，都表現(xiàn)出顯著提高的氧還原催化活性和穩(wěn)定性。

圖2 原子級(jí)分散金屬催化劑的微生物燃料電池性能

進(jìn)一步在微生物燃料電池器件應(yīng)用中，也表現(xiàn)出了遠(yuǎn)超前期文獻(xiàn)報(bào)道的功率密度(2550 ± 60 mW m-2)和長(zhǎng)達(dá)820小時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行(圖2)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)污水處理與高性能產(chǎn)電。

該低溫溶液合成不僅提出了一種在濕化學(xué)合成反應(yīng)過(guò)程中抑制產(chǎn)物形核生長(zhǎng)的通用方法，更為進(jìn)一步理解溶液反應(yīng)的形核熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、并利用傳統(tǒng)溶液化學(xué)方法制備高性能催化材料提供了新的可行性。

清華大學(xué)伍暉副教授、北航物理系劉利民教授、清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院張瀟源副教授和安徽大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)研究院葛炳輝教授為該論文共同通訊作者，清華大學(xué)材料學(xué)院博士后黃凱博士、北京計(jì)算中心張樂(lè)博士和清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院2016級(jí)博士研究生徐婷為共同第一作者。

清華大學(xué)材料學(xué)院伍暉課題組長(zhǎng)期從事高性能低維納米材料的宏量制備及其應(yīng)用研究。

清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院張瀟源課題組長(zhǎng)期從事污水處理及其能源化與資源化研究。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家博士后基金的經(jīng)費(fèi)支持。

Huang K, Zhang L, Xu T, et al. ? 60° C solution synthesis of atomically dispersed cobalt electrocatalyst with superior performance[J]. Nature communications, 2019, 10(1): 606.