建设高效可持续的新能源体系，对于保障国家能源安全及实现“碳中和、碳达峰”绿色经济目标，具有重要的战略意义。针对可再生能源高效利用技术规模化应用体系的需要，高密度单原子催化活性位点的构筑是当下及未来一段时间单原子催化剂迈向工业化应用必须解决的难题。然而，较高的表面自由能导致金属原子倾向于热聚集形成纳米团簇或颗粒，碳基高金属载量单原子催化材料的合成是催化领域的一个挑战性课题。
为了应对这一难题，郑州大学卢思宇教授创新性地提出“碳化聚合物点（CPDs）辅助逆转奥斯特瓦尔德熟化并原位重构超高密度金属单原子位点”的新思路，为制备超高金属载量及高热稳定的单原子催化剂（SACs）提供了新思路。基于该方法，经 800 ℃高温热解可分别制备6种金属载量大于30 wt%，17种金属载量大于20 wt%和23种金属载量大于10 wt%的碳基SACs，以及负载量高达18.1 wt%的20元高熵SACs。2024年7月15日，该研究成果以“Synthesis of ultrahigh-metal-density single-atom catalysts via metal sulfide-mediated atomic trapping”为题，发表在Nature Synthesis期刊上。
论文通讯作者是段镶锋教授和卢思宇教授，第一作者是常江伟副研究员。
迄今为止，已报道大多数 SACs 的金属负载量普遍较低，造成这种结果的主要原因是高温不可避免导致部分“锚固位点”的解离，缺乏限制的金属原子会重新聚集成颗粒，随后这些小颗粒中金属原子进一步迁移、扩散并被较大的金属颗粒捕获，即“奥斯特瓦尔德熟化”。因此，在高温热解或热催化过程中破坏金属纳米颗粒中的强金属—金属键诱发金属原子逃逸，并原位构筑金属位点—载体间强配位作用操纵金属原子定向迁移并“竞争性锚定”于载体，进而稳定并形成新的单原子位点，对于打破这一瓶颈具有重要的意义。
碳化聚合物点（CPDs）是采用小分子或者聚合物片段，经交联缩聚及芳构化过程（如水热、溶剂热或微波等）制备的碳基纳米基元，具有低毒、生物相容性好、结构可设计性强和表面易修饰等优异性能，在光电材料、催化、能源转化与存储等领域表现出越来越重要的应用价值。针对金属原子热团聚难题，该研究团队基于前期研究基础，创新性地提出“CPDs辅助逆转金属颗粒奥斯特瓦尔德熟化进而原位重构超高密度单原子催化位点”的新思路，利用CPDs骨架中氧官能团解离产生活泼缺陷位的特性，原位触发高效的氮掺杂并诱导金属硫化物纳米颗粒分解，进而实现“逆奥斯特瓦尔德熟化”。同时，CPDs骨架中丰富的氮锚定位点能够原位竞争性捕获/锚定硫化物分解过程中逃逸的金属原子，并在金属原子和锚固位点之间建立强共价相互作用来抑制其重烧结聚集，从而实现了高密度金属单原子位点的定向且可控构筑。
图1：碳点辅助构筑碳基超高载量金属单原子催化剂合成示意图。
图2：超高Ni载量UHDNi–N–C SACs样品结构表征。
图3：超高载量单原子催化剂普适性制备。
图4：超高载量高熵单原子催化剂表征。
图5：金属硫化物分解及高密度金属原子位点重构机理研究。
图6：OER性能探究。
该工作对于推动 CDs 材料及相关技术在储能和能量转化领域的应用和发展，具有重要的科学意义和应用价值，也将为高性能电催化剂活性位点的设计和精确构筑提供理论支持。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-024-00607-4
