解决单原子催化剂工业化制备难题？Nat. Commun：采用前体雾化策略建立单原子催化剂库和生产线

解决单原子催化剂工业化制备难题？Nat. Commun：采用前体雾化策略建立单原子催化剂库和生产线

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01、导读

单原子催化剂（SAC）是一类很有前途的材料，它结合了均相催化剂和非均相催化剂的优点，在实际应用中显示出优异的催化性能，包括高价值化学品生产、能量转换和消除污染。然而，人们普遍认为SACs仍有许多未知之处有待探索，包括发现独特的催化性能，理解结构-性能关系以及实现工业应用。进一步研究SACs的先决条件是开发灵活和可扩展的制备方法，但这仍然是一个巨大的挑战。首先，制定一种通用的路线来制造具有不同金属位点和载体的各种SACs是非常困难的，因为它们具有明显不同的物理/化学性质，包括但不限于金属前驱体的溶解度、热稳定性，以及表面配位环境和载体的亲疏水性等。其次是规模化效应严重阻碍SACs的批量生产。采用常用的湿化学方法对金属种类的聚集状态有显著影响。尽管这些条件在实验室规模上可以很好地控制，但在工厂规模上几乎不可能实现，因为不可避免的传质和传热不均匀，会导致局部浓度过高，从而产生不希望的金属种类聚集，一种解决方法是采用连续的制备方法(随时间增加产量)来代替目前的批量制备方法，但相关报道非常少。因此，开发一种通用、连续和直接的方法来制造SACs是科学和技术上的当务之急。

02、成果掠影

在此，中山大学纪红兵教授团队联合北京大学马丁教授团队报道了一种用于合成SACs及其衍生物的前体雾化策略，整个制备过程只包括两个步骤：第一步，前体的稀溶液被原子化并喷到支架上；第二步，对上述样品进行热处理分解前驱体，得到相应的SACs；值得注意的是，该方法适用于成功合成一系列催化剂，可以为各种不同的金属支撑组合建立SACs库，包括19个具有不同金属位点和载体的SACs和3种SACs衍生物（单原子合金，双原子催化剂和双金属SACs）。此外，该合成路线可以通过自制的1公斤/天的生产线进行放大，并且在Suzuki-Miyaura交叉耦合过程中具有相同的表征结果和催化性能，这证明了该工业合成过程具有良好的催化剂均匀性控制。该策略为SACs的进一步研究奠定了基础，并可能加快SACs从基础研究向工业应用的转变。

相关研究成果以“Building up libraries and production line for single atom catalysts with precursor-atomization strategy”为题发表在Nature Communications上。

03、核心创新点

1、前体雾化策略适用于成功合成一系列催化剂，可以为各种不同的金属支撑组合建立SACs库，包括19个具有不同金属位点和载体的SACs和3种SACs衍生物。

2、前体雾化策略在SACs的批量生产中具有很大的潜力，Pd₁/FeO_x在自制的生产线上生产力可以达到1公斤/天。

04、数据概览

图1 Pd₁/FeO_x的制备及结构表征© 2022 The Author(s)

（a）前驱体雾化策略制备Pd₁/FeO_x的方案；

（b）Pd₁/FeO_x的TEM图像；

（c）Pd₁/FeO_x的元素映射；

（d）Pd₁/FeO_x的AC HAADF-STEM图像；

（e）Pd₁/FeO_x，未煅烧Pd₁/FeO_x，PdO和Pd箔的Pd K-edge EXAFS的k³-加权FT谱；

（f）Pd K-edge EXAFS用于Pd₁/FeO_x，PdO和Pd箔；

（g）未煅烧Pd₁/FeO_x的AC HAADF-STEM图像；

图2前体雾化策略的普遍性© 2022 The Author(s)

图3 SACs衍生物的制备与结构表征© 2022 The Author(s)

（a-d） Pd₁/Cu的AC HAADF-STEM图像、元素映射、FT-EXAFS和XANES Pd k-edge；

（e-h） AC HAADF-STEM图像，在标记为1-3的区域获得的强度分布，FT-EXAFS，Pd₂/FeO_x的Pd K-edge XANES光谱；

（i-l） Pd₁-Pt₁/FeO_x的AC HAADF-STEM图像、元素映射和Pd K-edge FT-EXAFS光谱；

图5基于前驱体雾化策略的生产线© 2022 The Author(s)

（a） 基于前体雾化策略的生产线方案；

（b-e） Pd₁/FeO_x-1,2,3,4的AC HAADF-STEM图像；

（f） Pd₁/FeO_x-1和4、PdO和Pd箔的Pd K-edge XANES的k³-加权FT光谱；

（g） Pd₁/FeO_x-1,4、PdO和Pd箔K-edge XANES的WT；

（h） Pd₁/FeO_x-1和4、PdO和Pd箔的Pd K-edge XANES；

（i） Pd₁/FeO_x-1,2,3,4的Pd 3d的XPS模式；

图6Pd₁/FeO_x在Suzuki–Miyaura交叉偶联反应中的催化性能© 2022 The Author(s)

（a,b） Suzuki–Miyaura交叉偶联分别由19种SACs和不同的商用钯催化剂催化；

（c） Pd₁/FeO_x-1的回收实验；

（d） Pd₁/FeO_x-1,2,3,4在不同温度下的催化性能；

（e） 不同碱金属Pd₁/FeO_x-1,2,3,4的催化性能；

（f） Pd₁/FeO_x-1,2,3,4对形成不同产物的催化性能；

图7Pd₁/FeO_x-1催化芳基溴和芳基硼酸的Suzuki–Miyaura交叉偶联© 2022 The Author(s)

05、成果启示

综上所述，该工作开发了一种多功能前体雾化策略，可以精确操作和排列原子，从而获得SACs库（包括19个SACs以及SAAs、DACs和双金属SACs），基本涵盖了目前广泛关注的SACs催化剂结构。此外，该工作还建立了大规模合成SACs的生产线，生产能力可提高到1公斤/天以上。Pd₁/FeO_x在Suzuki-Miyaura交叉偶联反应中具有相同的催化剂结构和催化性能，即便生产的批次不同，均表现出显著的重复性，因此该工作具有大规模合成SACs的巨大潜力。

文献链接：Building up libraries and production line for single atom catalysts with precursor-atomization strategy，2022，https://doi.org/10.1038/s41467-022-33442-2）