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單原子催化劑前景光明

最近C&EN期刊上的一篇文章評估了單原子催化劑(SAC)制備和表征領(lǐng)域的快速發(fā)展，結(jié)論是這些催化劑的商業(yè)合成可能比預(yù)料的更快。已經(jīng)有十余個反應(yīng)確定可以由單個金屬原子催化，提高催化選擇性和反應(yīng)速率，這對貴金屬催化劑尤其重要，因?yàn)橄啾绕渌蠖鄶?shù)元素來說，貴金屬的價格要高得多。低配位金屬原子往往表現(xiàn)為最具催化活性的中心，而每個原子的活性隨顆粒變小而提高，用普通方法如等量浸漬法制備的催化劑上金屬顆粒會發(fā)生聚集，導(dǎo)致活性和選擇性下降。

科學(xué)家認(rèn)為單原子催化劑的選擇性提高比活性提高更重要。在美國塔夫茨(Tufts)大學(xué)的一項(xiàng)研究中，通過在高真空條件下加熱鈀，并在臨近的銅片上捕獲鈀原子制備了Pd單原子催化劑，已通過掃描隧道顯微鏡確認(rèn)。單原子鈀形態(tài)的Pd-Cu催化劑用于乙炔加氫制乙烯、苯乙烯加氫制乙苯等反應(yīng)，確實(shí)展示了高選擇性和活性。而再加入一些鈀時，由于形成了較大的金屬聚集體，該P(yáng)d-Cu體系失去了選擇性。

將金屬捕獲在一種載體上，牢固地綁定金屬，防止聚集，似乎是制備單原子催化劑的關(guān)鍵。最近美國新墨西哥州大學(xué)的一個研究團(tuán)隊(duì)展示了在氧化條件下把鉑催化劑加熱到高溫(這種條件通常會導(dǎo)致鉑的進(jìn)一步聚集)，生成的揮發(fā)性PtO2脫離了鉑聚集體表面，并重新有效地沉積在二氧化鈰表面上，使鉑處于單原子狀態(tài)。所得Pt-Ce催化劑對CO向CO2的轉(zhuǎn)化活性非常高。

正如C&EN期刊那篇文章中指出的那樣，這些進(jìn)展吸引了越來越多的研究者。其中許多人參加了2016年夏天在中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(簡稱大連化物所)舉辦的首屆單原子催化劑國際會議。大連化物所是單原子催化劑研究的領(lǐng)軍機(jī)構(gòu)之一。

通過其它技術(shù)設(shè)法提高貴金屬催化劑分散度的工作還在繼續(xù)開展。麻省理工學(xué)院的研究人員創(chuàng)造了核-殼式納米催化劑來提高金屬效率，通過用(NH4)2PtCl6處理氧化鎢納米顆粒，并用氧化硅納米球包裹其外制備了催化劑。

單原子催化劑在制備、表征和模擬(如利用密度泛函理論(DFT)計算)方面的快速進(jìn)步已使科學(xué)家們確信單原子催化劑可能開辟一個新的前沿領(lǐng)域。世界上最受尊敬的催化劑科學(xué)家之一John Meurig Thomas先生最近在《自然》期刊上的一篇文章中評論到“單原子催化劑未來前景光明”。

[程薇摘譯自Focus on Catalysts，2016-11-01]