Materials Today最新综述：单原子催化剂机械化学制备及多元化催化应用进展

【摘要】负载型单原子催化剂是2011年来在材料科学和工程领域发展迅速的一种新型的催化剂，它在催化剂的高稳定性、高活性和高性能的优势上发挥着重要的作用。机械化学球磨过程会自发地产生强大的剪切力和较高的局部温度，这将重建材料的化学键，并改变表面化学特性。球磨法是一种简单、可靠的纳米材料大规模合成方法，也可用于单原子催化剂的合成。本文首次系统地综述了球磨法制备负载型SACs的方法和原理，包括：溶剂辅助球磨法、无溶剂球磨法和球磨磨损-热雾化联合法。同时，综述了机械球磨法制备的SACs的多相催化应用(包括热催化、光催化和电催化)的最新进展。指出了球磨机衍生SACs在实际工业生产和应用中的挑战和前景。毫无疑问，SACs的机械化学制备已经成为亚纳米制造和多相催化领域的一个热门研究领域（详情微信搜一搜“负载型单原子催化剂”或“单原子催化剂机械化学制备”）。

本综述的图片摘要

目前，对于机械球磨法制备SACs的研究大多集中在应用部分，对于球磨法制备SACs的基本原理尚不清楚。在本综述论文中，作者将机械球磨策略分为两大类: (1)溶剂辅助球磨策略和(2)无溶剂球磨策略。系统总结了两种策略的基本原理和典型的准备案例。在这两种策略的基础上，作者进一步将球磨策略分为四类:(1)加热处理;(2)不进行热处理;(3)酸处理;(4)无酸处理。通过上述四类的对比分析，我们详细讨论了辅助或后续处理条件对机械球磨策略合成SACs的影响和意义。最后，介绍了机械球磨法制备SACs在热催化、光催化和电催化等广泛领域的应用实例，并提出了机械球磨法制备SACs的前景和挑战。特别是基于机械力化学和热雾化的组合策略可能是最有前途的工业应用技术之一。

图1. 干法球磨制备SACs：(a)不同制备尺度下Au1/CeO2催化剂的AC HAADF-STEM图像和Au1/CeO2-10的元素映射图像。(b)不同制备尺度下Au1/CeO2催化剂的Au 4f核能级xps谱。(c)不同制备规模的Au1/CeO2催化剂图。

图2. 湿法球磨制备SACs：(a)所开发的球磨方法示意图;(b) Co-SNC的HAADF-STEM图像。比例尺2 nm;(c) CoSNC的edx测绘图像。比例尺，50 nm;(d) Co-SNC催化剂的数字照片;(e) Co- snc的k边XANES谱和(f) Co- snc R空间中k3加权EXAFS谱的FT

Co- nc催化剂，其中Co箔作为参考;(g) Co-SNC的FT-EXAFS拟合曲线.

图3. 球磨磨损法制备SACs： (A)制备SACs的不同方法的比较示意图;(B) M (Fe,Co,Ni,Cu)-N-C的理论分析;(C) Fe₁-NC的高分辨率HAADF-STEM图像;(D) Fe1-C3N4的高分辨率HAADF-STEM图像。

图4. 球磨法制备SACs的催化应用。

【结论】本文综述了球磨合成单原子的机理以及球磨对SACs的作用。作者首次创新地将机械球磨策略分为溶剂辅助球磨策略和无溶剂球磨策略两种，并给出了详细的案例分析，详细讨论了两种策略的基本原理以及溶剂辅助/无溶剂对球磨合成SACs的影响。详细讨论了这两种策略的基本原理以及溶剂的存在和不存在对球磨法制备SACs的影响。在这两种策略的基础上，作者进一步细分为加热/不加热和酸/非酸处理，以上述四类作为对照组，研究辅助处理条件对机械球磨法制备SACs的影响。球磨是金属现场分散的前提,热处理可以将球磨前驱体转变为特定载体上的单个原子。热雾化可以有效地将纳米颗粒转化为单原子，可用于纯化基于球磨的单原子产品。最后，介绍了机械球磨法制备的SACs在热催化、光催化和电催化领域的应用实例。综上所述，基于球磨工艺简单、环境友好、制备量大等优点，机械-化学法制备SACs在多相催化领域具有广阔的应用前景。

Yifan Hu, Bolin Li, Changlin Yu, Haocheng Fang, Zesheng Li, Mechanochemical preparation of single atom catalysts for versatile catalytic applications: A perspective review, Materials Today, 2023.

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.01.019

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