自上向下的合成策略:最大程度提高贵金属的原子利用率（英文）

因为贵金属的价格比较高,并且很多催化反应主要发生在载体和金属接触的周围原子,所以减少贵金属的粒径对于提高金属原子利用率是非常可取的.原子利用率的最高极限就是形成单原子催化活性中心,然而合成稳定的单原子金属催化剂是一个巨大的挑战,因为单原子金属极易聚合成较大的金属颗粒.尽管存在着很大的困难,合成稳定的单原子金属还是可能的.研究表明,单原子金属容易镶嵌在表面能量最高的活性位上,以降低金属和载体的总能量,使之达到最稳定状态.随着金属的负载量增加,以此单原子金属为"晶种"将形成金属纳米粒子.根据这一原理,我们通过简单热扩散方法在HMO表面把Ag纳米粒子"拆分"成单个的Ag原子,并稳定地镶嵌在由HMO四个氧形成的空穴上(HMO的孔道口),使体系的能量降到最低.我们通过原位X射线衍射(XRD)、扩展X射线吸收精细结构光谱(EXAFS)和电子显微镜照片(TEM)详细证明了这种自上而下的合成过程,并通过X射线吸收近边结构光谱(XANES)、氢气程序升温还原(H_2-TPR)、CO吸附实验等表征手段和理论计算说明了诱导这一过程的原因.首先我们合成了具有高比表面积的Hollandite型二氧化锰(HMO)纳米颗粒,并且在上面负载纳米银颗粒.TEM数据表明经过焙烧纳米银颗粒消失,形成单原子分散在HMO表面.原位XRD的结果表明随着焙烧温度的升高,银颗粒的衍射峰强度逐渐降低,最后消失,说明纳米银颗粒随着温度的升高逐渐减少,最后达到银高分散的状态.通过对Ag(111)衍射峰强度进行分析,我们发现当温度低于150 ℃时,Ag(111)衍射峰强度基本保持不变,说明银颗粒没有变化.当温度高于150 ℃时,Ag(111)衍射峰强度开始减小,并且减小的程度随温度的升高而变大.当温度高于260 ℃时,Ag(111)衍射峰消失.为了更好的研究这个过程,我们分别在150,200,350 ℃焙烧银颗粒的样品,并测试了它们的EXAFS谱.结果表明随着焙烧温度的升高,银和银之间配位数减小,意味着银颗粒的减小.350 ℃焙烧样品的EXAFS谱在银原子散射的0.28–0.30 nm范围内没有吸收峰,说明银原子在HMO表面高度分散.然后我们通过XANES谱和理论计算证明了银和载体表面晶格氧的相互作用导致银的前线轨道的电子重新发生排布,从而诱导了整个自上向下的合成过程.最后活性测试表明,单原子银催化剂在甲醛催化氧化中表现出最好的催化活性,并简单研究了单原子催化氧化甲醛的机理.因此这种合成策略有两个重要的作用:(1)增加催化活性位的数量;(2)单原子催化剂的合成有利于催化反应机理的研究,比如甲醛催化氧化.     

空气或氮氧化物气氛下Ag/LaCoO_3上的碳黑燃烧性能（英文）

碳黑颗粒是柴油机尾气固体污染物的主要成分,是大气污染中的主要颗粒状污染物.消除碳黑颗粒物的有效方式之一是在尾气排放前安装柴油机颗粒物过滤器.然而,尾气排放温度远远低于碳黑燃烧温度,在过滤器上使用碳黑氧化催化剂能够明显降低碳黑的燃烧温度,防止过滤器堵塞.钙钛矿类催化剂由于具有良好的储氧能力,高活性的晶相氧有利于碳黑燃烧过程中气相氧和晶相氧的转换,具有较高的活性和结构稳定性,从而受到广泛关注.本课题组曾先后对La KNiMnO_x和LaMO_3(M=Fe,Co,Cu)等钙钛矿体系的碳黑燃烧性能进行了系统研究,其中LaCoO_3及掺杂的LaCoO_3基钙钛矿在碳黑催化燃烧中表现了较高的催化活性.然而担载型钙钛矿催化剂在该领域的应用很少有报道.银基催化剂由于具有较高的低温氧活化能力在碳黑燃烧反应中具有较高的催化活性,Kiyoshi Yamazaki等发现在银表面吸附的氧物种能够迁移到银与载体的界面,并可以进一步迁移到碳黑表面氧化碳黑,但是载体的选择对催化活性有较大影响,具有较高储氧能力和氧离子传输能力的CeO_2和ZrO_2载体上负载银催化剂的碳黑燃烧性能明显高于以Al_2O_3为载体的催化剂.为了进一步提高LaCoO_3基钙钛矿的碳黑氧化性能,本文结合LaCoO_3基钙钛矿和银基催化剂的特点,以LaCoO_3为载体制备了负载型银催化剂,考察了Ag/LaCoO_3催化剂结构和催化性能随焙烧温度的变化,并对银物种分布及催化作用进行了讨论.采用X射线粉末衍射(XRD)、高分辨透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、氢气程序升温还原(H2-TPR)和碳黑程序升温还原(soot-TPR)等表征手段研究了银物种分布及影响催化剂结构和催化活性的原因.XRD测试结果表明,经过800 oC焙烧的LaCoO_3催化剂具有钙钛矿结构,并有少量Co_3O_4,银担载在LaCoO_3催化剂上,经400 ℃焙烧后XRD测试检测到Ag的特征峰,说明银物种主要为单质银而不是以氧化物形式存在.随着焙烧温度的升高(400–700 ℃),Ag的衍射峰减弱,同时Co_3O_4的衍射峰消失,说明在热处理过程中银物种发生了迁移,从表面逐渐迁移进入钙钛矿结构,进而影响Co物种的分布.继续升高焙烧温度(750–800 ℃),由于高温烧结,部分银物种从钙钛矿结构中析出,钴物种也发生重新分布,Co_3O_4的衍射峰出现.XPS结果表明银物种主要为Ag~0,钴物种主要为低价钴离子,Ag/La CoO_3催化剂具有较高的吸附氧浓度.Soot-TPR结果表明,表面单质银的存在有利于活化气相氧,Ag物种进入钙钛矿的晶胞增加了氧缺陷有助于气相氧和晶相氧的转移,Ag/LaCoO_3催化剂能够在低温下完全氧化碳黑.低温焙烧的Ag/LaCoO_3表面形成的大量吸附氧物种是其高活性的原因.在空气气氛和NO_x气氛下考察了该系列催化剂上碳黑的催化燃烧性能,发现银的担载使LaCoO_3钙钛矿催化活性显著提高,在空气气氛下碳黑燃烧最大速率对应温度(Tp)降低了50–70℃,碳黑燃烧性能与催化剂的低温还原性相关.在NO_x气氛下,银在低温下的高活化氧能力使碳黑燃烧温度进一步降低,其中在Ag/LaCoO_3-400催化剂上碳黑的燃烧温度降低了140 oC.以Ag/LaCoO_3-700催化剂为例,考察了在NO_x气氛下碳黑燃烧性能的稳定性,发现该催化经历3次循环实验后没有明显的失活且其结构稳定.     

空气或氮氧化物气氛下Ag/LaCoO3上的碳黑燃烧性能

碳黑颗粒是柴油机尾气固体污染物的主要成分,是大气污染中的主要颗粒状污染物.消除碳黑颗粒物的有效方式之一是在尾气排放前安装柴油机颗粒物过滤器.然而,尾气排放温度远远低于碳黑燃烧温度,在过滤器上使用碳黑氧化催化剂能够明显降低碳黑的燃烧温度,防止过滤器堵塞.钙钛矿类催化剂由于具有良好的储氧能力,高活性的晶相氧有利于碳黑燃烧过程中气相氧和晶相氧的转换,具有较高的活性和结构稳定性,从而受到广泛关注.本课题组曾先后对LaKNiMnOx和LaMO3(M=Fe,Co,Cu)等钙钛矿体系的碳黑燃烧性能进行了系统研究,其中La-CoO3及掺杂的LaCoO3基钙钛矿在碳黑催化燃烧中表现了较高的催化活性.然而担载型钙钛矿催化剂在该领域的应用很少有报道.银基催化剂由于具有较高的低温氧活化能力在碳黑燃烧反应中具有较高的催化活性,Kiyoshi Yamazaki等发现在银表面吸附的氧物种能够迁移到银与载体的界面,并可以进一步迁移到碳黑表面氧化碳黑,但是载体的选择对催化活性有较大影响,具有较高储氧能力和氧离子传输能力的CeO2和ZrO2载体上负载银催化剂的碳黑燃烧性能明显高于以Al2O3为载体的催化剂.为了进一步提高LaCoO3基钙钛矿的碳黑氧化性能,本文结合LaCoO3基钙钛矿和银基催化剂的特点,以LaCoO3为载体制备了负载型银催化剂,考察了Ag/LaCoO3催化剂结构和催化性能随焙烧温度的变化,并对银物种分布及催化作用进行了讨论.采用X射线粉末衍射(XRD)、高分辨透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、氢气程序升温还原(H2-TPR)和碳黑程序升温还原(soot-TPR)等表征手段研究了银物种分布及影响催化剂结构和催化活性的原因.XRD测试结果表明,经过800℃焙烧的LaCoO3催化剂具有钙钛矿结构,并有少量Co3O4,银担载在LaCoO3催化剂上,经400 ℃焙烧后XRD测试检测到Ag的特征峰,说明银物种主要为单质银而不是以氧化物形式存在.随着焙烧温度的升高(400-700℃),Ag的衍射峰减弱,同时Co3O4的衍射峰消失,说明在热处理过程中银物种发生了迁移,从表面逐渐迁移进入钙钛矿结构,进而影响Co物种的分布.继续升高焙烧温度(750-800℃),由于高温烧结,部分银物种从钙钛矿结构中析出,钴物种也发生重新分布,Co3O4的衍射峰出现.XPS结果表明银物种主要为Ag0,钴物种主要为低价钴离子,Ag/LaCoO3催化剂具有较高的吸附氧浓度.Soot-TPR结果表明,表面单质银的存在有利于活化气相氧,Ag物种进入钙钛矿的晶胞增加了氧缺陷有助于气相氧和晶相氧的转移,Ag/LaCoO3催化剂能够在低温下完全氧化碳黑.低温焙烧的Ag/LaCoO3表面形成的大量吸附氧物种是其高活性的原因.在空气气氛和NOx气氛下考察了该系列催化剂上碳黑的催化燃烧性能,发现银的担载使LaCoO3钙钛矿催化活性显著提高,在空气气氛下碳黑燃烧最大速率对应温度(Tp)降低了50-70℃,碳黑燃烧性能与催化剂的低温还原性相关.在NOx气氛下,银在低温下的高活化氧能力使碳黑燃烧温度进一步降低,其中在Ag/LaCoO3-400催化剂上碳黑的燃烧温度降低了140℃.以Ag/LaCoO3-700催化剂为例,考察了在NOx气氛下碳黑燃烧性能的稳定性,发现该催化经历3次循环实验后没有明显的失活且其结构稳定.     

甲醇脱氢制无水甲醛的高活性Ag-SiO_2-Al_2o_3催化剂

采用溶胶－凝胶法制备了甲醇直接脱氢制无水甲醛的新型高活性催化剂Ag- SiO_2-Al_2O_3，并考虑了银负载量、焙烧温度及反应温度等对催化剂活性的影响 。XRD结果表明，反应前观察不到银的晶相峰，反应后出现Ag(111)，Ag(200)，Ag (220)，Ag(311)及Ag(222)的特征银晶相峰，SEM结果与XRD吻合得很好。该种特异 结构的催化剂具有对甲醇直接脱氢制甲醛的优异性能，其甲醇转化率达到95.0%， 甲醛得率也高达81.2%，超过己有的文献报道。     

甲醇脱氢制无水甲醛的高活性Ag-SiO_2-Al_2o_3催化剂

采用溶胶－凝胶法制备了甲醇直接脱氢制无水甲醛的新型高活性催化剂Ag- SiO_2-Al_2O_3，并考虑了银负载量、焙烧温度及反应温度等对催化剂活性的影响 。XRD结果表明，反应前观察不到银的晶相峰，反应后出现Ag(111)，Ag(200)，Ag (220)，Ag(311)及Ag(222)的特征银晶相峰，SEM结果与XRD吻合得很好。该种特异 结构的催化剂具有对甲醇直接脱氢制甲醛的优异性能，其甲醇转化率达到95.0%， 甲醛得率也高达81.2%，超过己有的文献报道。     

钯铂核壳纳米催化剂颗粒中的原子扩散

铂原子单层的核壳结构催化剂因其高效的铂原子利用率和优异铂质量活性而广泛应用于燃料电池领域.在该系列材料中,钯@铂核壳催化剂具有更优于纯铂的氧还原(ORR)催化活性,因而拥有较好的应用前景.但由于钯原子在热力学上更倾向于富集到材料表面,钯@铂核壳催化剂的催化稳定性及原子扩散的途径需要更深入的研究.本文探究了热处理条件对钯@铂核壳结构稳定性的破坏,并确定了原子扩散对催化活性的影响.原位扫描透射电子显微镜-电子能量损失谱(STEM-EELS)证明了在250 oC的氩气氛围中,钯@铂纳米颗粒中原本清晰可见的1–2原子铂壳层已经消失,并伴随着颗粒表面钯铂合金化的形成.因钯金属可以吸收氢气而导致晶格间距的展宽,钯@铂核壳结构的破坏也可以通过氢气氛围中的原位X射线衍射谱中(111)衍射峰的展宽和位移进行判断.对钯@铂核壳纳米催化剂进行一系列温度的热处理结果显示,核壳结构的破坏在200 oC左右开始,并于200–300 oC之间急剧发生.一氧化碳电化学氧化脱附实验表明,热处理之后的核壳催化剂表面的一氧化碳氧化峰位置发生了明显的正移,也证明了热处理之后催化剂表面电子结构的变化.核壳结构改变对催化活性的影响也通过旋转圆盘电极进行了测量.相比于未经处理的样品, 200 oC处理之后的钯@铂核壳催化剂在0.9 V电位处的质量活性损失了约37%.进一步提高热处理温度至300 oC之后,钯@铂核壳催化剂的质量活性只有初始状态的44%.本文揭示核壳结构中因热处理而导致的原子扩散现象,并为燃料电池中核壳催化剂的应用及膜电极的制备工艺条件提供了参考.     

钯铂核壳纳米催化剂颗粒中的原子扩散（英文）

铂原子单层的核壳结构催化剂因其高效的铂原子利用率和优异铂质量活性而广泛应用于燃料电池领域.在该系列材料中,钯@铂核壳催化剂具有更优于纯铂的氧还原(ORR)催化活性,因而拥有较好的应用前景.但由于钯原子在热力学上更倾向于富集到材料表面,钯@铂核壳催化剂的催化稳定性及原子扩散的途径需要更深入的研究.本文探究了热处理条件对钯@铂核壳结构稳定性的破坏,并确定了原子扩散对催化活性的影响.原位扫描透射电子显微镜-电子能量损失谱(STEM-EELS)证明了在250 oC的氩气氛围中,钯@铂纳米颗粒中原本清晰可见的1–2原子铂壳层已经消失,并伴随着颗粒表面钯铂合金化的形成.因钯金属可以吸收氢气而导致晶格间距的展宽,钯@铂核壳结构的破坏也可以通过氢气氛围中的原位X射线衍射谱中(111)衍射峰的展宽和位移进行判断.对钯@铂核壳纳米催化剂进行一系列温度的热处理结果显示,核壳结构的破坏在200 oC左右开始,并于200–300 oC之间急剧发生.一氧化碳电化学氧化脱附实验表明,热处理之后的核壳催化剂表面的一氧化碳氧化峰位置发生了明显的正移,也证明了热处理之后催化剂表面电子结构的变化.核壳结构改变对催化活性的影响也通过旋转圆盘电极进行了测量.相比于未经处理的样品, 200 oC处理之后的钯@铂核壳催化剂在0.9 V电位处的质量活性损失了约37%.进一步提高热处理温度至300 oC之后,钯@铂核壳催化剂的质量活性只有初始状态的44%.本文揭示核壳结构中因热处理而导致的原子扩散现象,并为燃料电池中核壳催化剂的应用及膜电极的制备工艺条件提供了参考.     

Cu分隔开的Pd单原子用于乙炔选择加氢:Cu担载量的影响

大量乙烯中少量乙炔的去除是化工生产中的重要过程之一,理想途径是将其选择加氢生成乙烯.负载型Pd催化剂因具有很高的乙炔转化率而被广泛用于该过程,但乙烯选择性很低,同时会使原料气中的乙烯被加氢,造成原料气的浪费.采用其它元素对Pd纳米粒子表面修饰,覆盖部分活性位,可以在一定程度上提高乙烯选择性,但是会大大降低Pd的利用率.因此,制备兼具高活性和高选择性且经济实用的催化剂,仍是这一过程亟待解决的主要问题之一.我们的前期工作中,将Pd与IB族金属(Au,Ag,Cu)分别结合制备得到了一系列含Pd的合金单原子催化剂(SAC),发现它们在大量乙烯存在条件下的乙炔选择加氢反应中表现出优异的催化性能.其中,Pd的用量仅为ppm级别,大大提高了Pd的利用率.作为IB族最为廉价的金属,Pd与Cu形成的合金SAC在提高Pd原子利用率的同时,能够进一步降低催化剂的经济成本.然而,当形成合金SAC时,Cu/Pd原子比例的极限值仍然不确定.本文通过固定Pd的担载量,采用简单的等体积共浸渍的方法,制备了一系列不同Cu/Pd原子比例的氧化硅负载的双金属催化剂.首先,我们采用程序升温还原(TPR)和X射线衍射(XRD)对催化剂的还原能力和双金属纳米粒子的尺寸进行了考察.进一步,采用X射线吸收光谱(XAS,包括EXAFS和XANES)对双金属催化剂中Pd的配位环境进行了分析.最后,结合它们在大量乙烯存在条件下的乙炔选择加氢反应中的催化性能,对形成合金SAC时Cu/Pd原子比例进行了讨论.TPR结果显示,Cu与Pd结合时会促进双金属纳米粒子的还原.XRD结果表明,随着Cu含量的降低,双金属纳米粒子的尺寸明显减小.XANES结果证实,当Pd与Cu结合时,Pd会带有部分负电荷,这也与Pd的电负性大于Cu相一致.通过对EXAFS拟合结果进行分析,我们发现当Cu/Pd的原子比例≥40/1时,Pd原子可以被Cu原子完全分隔开,形成含Pd的合金SAC,使其在大量乙烯存在条件下的乙炔选择加氢反应中表现出优异的催化性能.通过对还原温度的考察,我们发现还原温度由250 oC升高到400 oC时,对同一催化剂的催化性能影响不大;EXAFS拟合结果显示,对比分别经过250和400 oC还原后的催化剂,Pd的配位环境变化不明显,这可能是导致催化性能相似的主要原因.     

Cu分隔开的Pd单原子用于乙炔选择加氢:Cu担载量的影响（英文）

大量乙烯中少量乙炔的去除是化工生产中的重要过程之一,理想途径是将其选择加氢生成乙烯.负载型Pd催化剂因具有很高的乙炔转化率而被广泛用于该过程,但乙烯选择性很低,同时会使原料气中的乙烯被加氢,造成原料气的浪费.采用其它元素对Pd纳米粒子表面修饰,覆盖部分活性位,可以在一定程度上提高乙烯选择性,但是会大大降低Pd的利用率.因此,制备兼具高活性和高选择性且经济实用的催化剂,仍是这一过程亟待解决的主要问题之一.我们的前期工作中,将Pd与IB族金属(Au,Ag,Cu)分别结合制备得到了一系列含Pd的合金单原子催化剂(SAC),发现它们在大量乙烯存在条件下的乙炔选择加氢反应中表现出优异的催化性能.其中,Pd的用量仅为ppm级别,大大提高了Pd的利用率.作为IB族最为廉价的金属,Pd与Cu形成的合金SAC在提高Pd原子利用率的同时,能够进一步降低催化剂的经济成本.然而,当形成合金SAC时,Cu/Pd原子比例的极限值仍然不确定.本文通过固定Pd的担载量,采用简单的等体积共浸渍的方法,制备了一系列不同Cu/Pd原子比例的氧化硅负载的双金属催化剂.首先,我们采用程序升温还原(TPR)和X射线衍射(XRD)对催化剂的还原能力和双金属纳米粒子的尺寸进行了考察.进一步,采用X射线吸收光谱(XAS,包括EXAFS和XANES)对双金属催化剂中Pd的配位环境进行了分析.最后,结合它们在大量乙烯存在条件下的乙炔选择加氢反应中的催化性能,对形成合金SAC时Cu/Pd原子比例进行了讨论.TPR结果显示,Cu与Pd结合时会促进双金属纳米粒子的还原.XRD结果表明,随着Cu含量的降低,双金属纳米粒子的尺寸明显减小.XANES结果证实,当Pd与Cu结合时,Pd会带有部分负电荷,这也与Pd的电负性大于Cu相一致.通过对EXAFS拟合结果进行分析,我们发现当Cu/Pd的原子比例≥40/1时,Pd原子可以被Cu原子完全分隔开,形成含Pd的合金SAC,使其在大量乙烯存在条件下的乙炔选择加氢反应中表现出优异的催化性能.通过对还原温度的考察,我们发现还原温度由250 oC升高到400 oC时,对同一催化剂的催化性能影响不大;EXAFS拟合结果显示,对比分别经过250和400 oC还原后的催化剂,Pd的配位环境变化不明显,这可能是导致催化性能相似的主要原因.     

具有SPR效应的Ag/Ag2MoO4材料在可见光区的光催化性能研究

作为一类新兴的光催化材料,钼酸盐纳米材料具有高表面能、多活性位点和高选择性等优点,在可见光催化降解污染物方面有着重要应用,近年来受到广泛关注.作为钼酸盐家族重要的一员,钼酸银在杀菌、表面增强拉曼光谱、气敏材料等方面均有重要应用,但其光催化性能却鲜见报道.这是由于它的光谱响应范围窄和广生载流子分离效率低所致.虽然近来有少量基于钼酸银的复合材料的光催化研究,但催化效果不佳.众所周知,作为自由电子体系,诸多金属纳米粒子,如贵金属、碱金属等,存在表面等离子体共振效应(SPR),使得贵金属,特别是Ag,Au等纳米粒子在可见区域有较强的吸收.利用这一特性,Awazu等将Ag纳米颗粒沉积在TiO2表面,创造性地将SPR应用于光催化反应,开发出在可见光谱区具有宽光谱吸收特征的Ag/TiO2.随后陆续合成出基于SPR效应的Ag@AgCl,Ag/Ag3PO4材料均具有良好的光催化性能.基于此,本文在十二烷基硫酸钠(SDS)的存在下,采用水热法一步合成了具有SPR效应的Ag/Ag2MoO4可见光催化材料,并利用X射线粉末衍射(XRD)、紫外可见漫反射(DRS)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)等技术对材料进行了表征.系统地探讨了体系pH值、反应时间、表面活性剂用量对产物的晶相和微观形貌等的影响.此外,还利用罗丹明B降解实验考察了上述合成条件对材料可见光催化活性的影响,并通过捕获剂实验深入地研究了起催化作用的活性物种.XRD结果表明,体系的pH值对材料的晶型有极大影响,随着pH由酸性变至中性、碱性,最终得到的钼酸银也由Ag2Mo2O7过渡到Ag2MoO4.SEM图显示在最优条件(pH为7,加入0.5 g SDS,160oC下水热14 h)下制得的钼酸银为八面体的Ag2MoO4,且其表面均匀地分布着Ag纳米颗粒,与XPS图谱结果一致.另外表面活性剂SDS的用量对所合成材料的形貌影响很大.本文可一步得到以八面体Ag2MoO4为主的Ag/Ag2MoO4复合材料,是因为SDS的疏水长链可以诱导Ag2MoO4的各向异性生长.DRS结果表明,Ag2MoO4八面体上Ag颗粒的引入使其在可见光区的吸收明显加强,因而它在可见光下催化降解罗丹明B降解反应活性增加.捕获剂实验结果表明,起决定性作用的活性物种是光生空穴,另外?OH也起了一定作用.     

Highly Dense Isolated Metal Atom Catalytic Sites: Dynamic Formation and In Situ Observations

Atomically dispersed noble‐metal catalysts with highly dense active sites are promising materials with which to maximise metal efficiency and to enhance catalytic performance; however, their fabrication remains challenging because metal atoms are prone to sintering, especially at a high metal loading. A dynamic process of formation of isolated metal atom catalytic sites on the surface of the support, which was achieved starting from silver nanoparticles by using a thermal surface‐mediated diffusion method, was observed directly by using in situ electron microscopy and in situ synchrotron X‐ray diffraction. A combination of electron microscopy images with X‐ray absorption spectra demonstrated that the silver atoms were anchored on five‐fold oxygen‐terminated cavities on the surface of the support to form highly dense isolated metal active sites, leading to excellent reactivity in catalytic oxidation at low temperature. This work provides a general strategy for designing atomically dispersed noble‐metal catalysts with highly dense active sites.     

Quasi-continuous synthesis of cobalt single atom catalysts for transfer hydrogenation of quinoline

Improving the transfer hydrogenation of N-heteroarenes is of key importance for various industrial processes and remains a challenge so far. We reported here a microcapsule-pyrolysis strategy to quasicontinuous synthesis S, N co-doped carbon supported Co single atom catalysts(Co/SNC), which was used for transfer hydrogenation of quinoline with formic acid as the hydrogen donor. Given the unique geometric and electronic properties of the Co single atoms, the excellent catalytic activity, selectiv...     

Electronic Metal–Support Interactions in Single‐Atom Catalysts

The synthesis of single‐atom catalysts and the control of the electronic properties of catalytic sites to arrive at superior catalysts is a major challenge in heterogeneous catalysis. A stable supported single‐atom silver catalyst with a controllable electronic state was obtained by anti‐Ostwald ripening. An electronic perturbation of the catalytic sites that is induced by a subtle change in the structure of the support has a strong influence on the intrinsic reactivity. The higher depletion of the 4d electronic state of the silver atoms causes stronger electronic metal–support interactions, which leads to easier reducibility and higher catalytic activity. These results may improve our understanding of the nature of electronic metal–support interactions and lead to structure–activity correlations.     

Construction of High-Density Binuclear Site Catalysts from Double Framework Interfaces at the Cooling Stage

Low-nuclear site catalysts with dual atoms have the potential for applications in energy and catalysis chemistry. Understanding the formation mechanism of dual metal sites is crucial for optimizing local structures and designing desired binuclear sites catalysts. In this study, we demonstrate for the first time the formation process of dual atoms through the pyrolysis of the interface of a double framework using Zn atoms in metal–organic frameworks and Co atoms in covalent organic frameworks. We unambiguously revealed that the cooling stage is the key point to form the binuclear sites by employing the in situ synchrotron radiation X-ray absorption spectrum technique. The binuclear site catalysts show higher activity and selectivity than single dispersed atom catalysts for electrocatalytic oxygen reduction. This work guides us to synthesize and optimize the various binuclear sites for extensive catalytic applications.     

金属单原子催化剂增强硫正极动力学的研究进展

单质硫具有理论能量密度高(2600 Wh·kg-1)、放电比容量高(1672mAh·g-1)、成本低等优势,是锂硫电池的理想正极材料。然而,在充放电过程中硫正极迟缓的反应动力学显著地限制了锂硫电池的性能。金属单原子催化剂(SMACs)具有独特的电子结构、金属含量低、理论上100%的原子利用率、催化活性高等优势,其不仅有效地促进了不同中间相的转化反应,而且可为含硫物质提供丰富的锚定位点,从而显著优化硫正极氧化还原反应动力学、多硫化物的穿梭行为和锂硫电池电化学性能。本文以剖析金属单原子催化剂与硫正极间的相互作用为出发点,结合其催化效应表征技术,重点解析了不同类型单原子催化剂的构筑策略、活性调控及其优化硫正极氧化还原行为的机制,展望了金属单原子催化剂在锂硫电池领域面临的挑战和未来发展方向。     

Epoxy-rich Fe Single Atom Sites Boost Oxygen Reduction Electrocatalysis

Electrocatalysts for highly efficient oxygen reduction reaction (ORR) are crucial for energy conversion and storage devices. Single-atom catalysts with maximized metal utilization and altered electronic structure are the most promising alternatives to replace current benchmark precious metals. However, the atomic level understanding of the functional role for each species at the anchoring sites is still unclear and poorly elucidated. Herein, we report Fe single atom catalysts with the sulfur and oxygen functional groups near the atomically dispersed metal centers (Fe1/NSOC) for highly efficient ORR. The Fe1/NSOC delivers a half-wave potential of 0.92 V vs. RHE, which is much better than those of commercial Pt/C (0.88 V), Fe single atoms on N-doped carbon (Fe1/NC, 0.89 V) and most reported nonprecious metal catalysts. The spectroscopic measurements reveal that the presence of sulfur group induces the formation of epoxy groups near the FeN4S2 centers, which not only modulate the electronic structure of Fe single atoms but also participate the catalytic process to improve the kinetics. The density functional theory calculations demonstrate the existence of sulfur and epoxy group engineer the charges of Fe reactive center and facilitate the reductive release of OH* (rate-limiting step), thus boosting the overall oxygen reduction efficiency.     

Non‐metal Single‐Iodine‐Atom Electrocatalysts for the Hydrogen Evolution Reaction

Common‐metal‐based single‐atom catalysts (SACs) are quite difficult to design due to the complex synthesis processes required. Herein, we report a single‐atom nickel iodide (SANi‐I) electrocatalyst with atomically dispersed non‐metal iodine atoms. The SANi‐I is prepared via a simple calcination step in a vacuum‐sealed ampoule and subsequent cyclic voltammetry activation. Aberration‐corrected high‐angle annular dark‐field scanning transmission electron microscopy and synchrotron‐based X‐ray absorption spectroscopy are applied to confirm the atomic‐level dispersion of iodine atoms and detailed structure of SANi‐I. Single iodine atoms are found to be isolated by oxygen atoms. The SANi‐I is structural stable and shows exceptional electrocatalytic activity for the hydrogen evolution reaction (HER). In situ Raman spectroscopy reveals that the hydrogen adatom (H_ads) is adsorbed by a single iodine atom, forming the I‐H_ads intermediate, which promotes the HER process.     

Recent Progress of Single-Atom Alloys in Heterogeneous Catalytic Reactions

In decades, heterogeneous catalysis has played a more significant role in social progress. However, the exorbitant price and low reserves vastly limit the application of noble metal catalysts, which are extensively used in heterogeneous catalysis. The single-atom-alloy catalysts (SAAs) have been regarded as a crucial way to improve the dispersion ratio of noble metal while maintaining great heterogeneous catalytic performance by dispersing noble metal single atoms on the surface of another metal. Besides the benefit from the metal bonds between noble metals and support metals, SAAs is also a unique method to construct metallic metal single atoms and obtain its characteristic catalytic performance, which is not possessed by other single atoms catalysts with positive electricity metal atoms. Most recently, SAAs have been demonstrated to catalyze a lot of significant heterogeneous reactions. This review will introduce the synthesis methods of SAAs and then summarize their applications in heterogeneous catalysis.     

应用于氧还原反应的非贵金属原子分散级金属-氮-碳催化剂的设计

为了进一步实现质子交换膜燃料电池(PEMFC)能量转化技术的大规模开发和应用, 提高催化剂的成本效益是先决条件. 目前, 与铂族等贵金属基催化剂相比, 原子分散的金属-氮-碳(M-N-C)催化剂也在提高活性位点密度、 原子利用率和催化活性等方面表现出巨大的潜力, 是最有望代替铂基催化剂的首选材料. 在原子分散M-N-C催化剂的制备过程中, 获得活性位点均匀分散且结构体系最优化是挑战性问题. 基于此, 我们重点研究了各种有利于原子分散的M-N-C催化剂的制备方法, 以及不同催化剂中原子的化学环境调控对催化位点的影响. 本文从M-N-C催化剂的合成与表征、 反应机理、 密度泛函理论计算等方面进行了深入的探讨, 着重讨论了双金属位点、 原子簇结构和杂原子对催化位点的化学环境调控. 最后, 提出了原子分散M-N-C催化剂大规模应用存在的问题及进一步优化的发展方向.     

Properties of Pd–Ag/C catalysts in the reaction of selective hydrogenation of acetylene

Samples of Pd/C and Pd–Ag/C, where C represents carbon nanofibers (CNFs), are synthesized by methane decomposition on a Ni–Cu–Fe/Al₂O₃ catalyst. The properties of Pd/CNF are studied in the reaction of selective hydrogenation of acetylene into ethylene. It is found that the activity of the catalyst in hydrogenation reaction increases, while selectivity decreases considerably when the palladium content rises. The obtained dependences are caused by the features of palladium’s interaction with the carbon support. At a low Pd content (up to 0.04 wt %) in the catalyst, the metal is inserted into the interlayer space of graphite and the catalytic activity is zero. It is established by EXAFS that the main share of palladium in catalysts of 0.05–0.1 wt % Pd/CNF constitutes the metal in the atomically dispersed state. The coordination environment of palladium atoms consists of carbon atoms. An increase in the palladium content in a Pd/CNF catalyst up to 0.3 wt % leads to the formation of highly dispersed (0.8–1 nm) Pd particles. The Pd/CNF samples where palladium is mainly in the atomically dispersed state exhibit the highest selectivity in the acetylene hydrogenation reaction. The addition of silver to a 0.1 wt % Pd/CNF catalyst initially probably leads to the formation of Pd–Ag clusters and then to alloyed Pd–Ag particles. An increase in the silver content in the catalyst above 0.3% causes the enlargement of the alloyed particles and the palladium atoms are blocked by a silver layer, which considerably decreases the catalytic activity in the selective hydrogenation of acetylene.