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江西师范大学/南昌大学陈义旺教授与南昌大学袁凯教授：突破单核位点催化极限，双原子催化剂大有可为
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关键词：双原子位点，“构-效”关系，吸附关联限制
江西师范大学/南昌大学陈义旺教授与南昌大学袁凯教授的AMR述评文章“Breaking the Scaling Relationship Limit: From Single-Atom to Dual-Atom Catalysts”在线发表。文章着重讨论了双原子催化剂在能源和环境相关催化反应优势，并提出了未来仍需应对的挑战。 双核位点的核间电子相互作用，双核共吸附及协同催化作用，可以打破基于单核位点的中间体吸附关联限制，使得双原子催化剂在能源和环境相关催化反应领域大放异彩。 文章内容简介 在多相催化中，单原子催化剂具有极大的潜力，可以最大限度地利用活性原子。众所周知，由于过渡金属的空/部分填充d轨道，原子级分散过渡金属已被用作高效电催化剂。为了实现所需的活性和选择性，单原子位点的微环境工程已成为多相催化研究的重点。然而，不同反应中间体在单核位点上的吸附能往往相互关联，不能同时保证所有中间体的吸附在最优状态，导致在单原子位点上进行多中间体反应将形成一个强吸附关联限制。单原子催化剂上固有的吸附关联限制始终限制了反应动力学和热力学，尤其是对于大多数多中间体反应，如ORR、OER、CO2RR、NRR等。此外，增加活性中心的密度是提高催化剂活性的有效手段。随着活性中心密度的增加，催化中心的间距减小，但很少有研究人员关注同一活性中心之间的相互作用对催化性能的影响。 在过去的几年中，越来越多的双原子催化剂被发现具有比同源单原子催化剂更高的活性，合理设计双原子催化剂已成为提高催化剂内在活性的一种有效的方法。首先，双原子催化剂提供了一种微环境优化策略，通过金属位点间的中短程相互作用来调整金属中心电子结构。通常，当两个金属中心相距较远或中间体尺寸较小时，只有一个金属中心起主要催化作用。其次，双原子位点可以提供额外的吸附位点：反应中间体可同时被双核位点吸附，优化吸附过程。特别是，异核双核位点上的不对称电荷分布可以最大限度地发挥双原子催化剂在多步反应中的潜力，从而使活性和选择性的优化成为可能。第三，双原子催化剂具有协同效应：两个金属中心分别催化不同的核心步骤，协同提高催化性能。 NO.1AMR：请问您对这个领域的发展有何种愿景？ 作者团队： 双原子催化剂几乎完美继承了单原子催化剂的优势，得益于其活性原子的100%利用率和金属中心的可调节的微环境，原子级双核位点的结构设计在提高化学反应的速率、转化率和选择性方面至关重要。我们在近期综述中也系统地总结了双原子催化剂的制备技术，包括碳基、无热解、非碳基底和复合型双原子催化剂的制备。我们希望双原子催化剂的在更多的催化反应中有所突破，尤其在能源和环境相关催化反应（如ORR、OER、HER、CO2RR、NRR）中得到实际应用。 NO.2AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会 作者团队： （1）双核位点准确结构的测定 由于金属原子的强配位性，掺杂碳和金属氧化物的杂原子（N、O、P、S等）成为最常用的支撑金属原子的载体。目前，非原位XAFS光谱被认为是确定双核金属位点精确构型的最有力工具。然而，XAFS测量总是提供整个测试材料的平均结果，过渡金属与C、N和O的键合在金属XASF光谱中的第一配位层中信号接近。因此，结合尖端的暗场透射电子显微镜（原子级电子能量损失谱）、理论计算和XAFS结果可以使双核金属位点的结构更具说服力。此外，精确构建含有周期性单元的无热解型双原子催化剂，如双金属MOF、COF等，以实现高效催化转化也是非常有前景的。 （2）双核位点距离效应 目前，许多研究在单原子催化剂微环境工程和制备高金属负载单原子催化剂方面取得了一些突破。然而，位点的本征活动性和孤立位点间的距离的关系往往被忽视。由于一个位点的电子结构可以由另一个相邻位点调节，因此双核位点中两个单一金属位点的间距对双原子催化剂的内在活性至关重要。因此，合理设计双核位点中金属中间间距，可以调节催化位点的内在活性，使其向催化火山曲线的顶点移动。此外，探索双原子催化剂中两个双核位点间的距离效应也很重要。 （3）探索双核位点的催化极限 在过去的十年中，很多催化反应的机理途径和涉及的中间体已在原子级催化上达成共识。由于中间体在单原子位点上的可预测的吸附结构，研究者可以通过理论计算合理地获取反应能垒，预测基于单原子催化极限。虽然双核位点可以通过改变中间体的吸附结构来打破基于单核位点的吸附关联限制，但对于双核位点的催化极限仍相对模糊。 NO.3 AMR：请问您有什么科研心得想分享给读者们？ 陈义旺教授与袁凯教授： 对于科研人员，求真务实和脚踏实地是最重要的品质。不能急功近利、盲目，并且要尊重创新。特别是青年学者要聚焦真正的关键科学问题，能够看到科学问题的本质，目标要长远一些。要做到科学与技术相结合，注重集成创新。对于青年学生的建议，还要有团队协作精神。对于成果集成创新，一定要有团队精神，从不同的科学和技术角度来解决问题。 通讯作者简介 南昌大学和江西师范大学 教授 陈义旺 陈义旺，南昌大学和江西师范大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，入选国家高层次人才特殊支持计划领军人才，国家百千万人才工程，德国洪堡奖学金获得者，享受国务院特殊津贴。1988-1992年江西师范大学获学士学位，1992-1995年江西师范大学获硕士学位，1996-1999年北京大学获博士学位，1999-2003年德国美茵兹大学和马尔堡大学进行博士后研究，2003-2004年新加坡国立大学化工系Research Fellow，2004-2019南昌大学化学学院教授、院长。2019年起历任江西师范大学副校长，副书记，南昌大学高分子及能源化学研究院院长，江西省化学化工学会理事长，教育部科技委委员，Chinese J. Polym. Sci.，《高分子学报》，《高分子通报》，eScience，Fundamental Research等编委。主持和完成国家自然科学基金重点项目/杰出青年基金项目/中德国际合作项目/面上项目11项、科技部973前期研究专项等项目。以第一作者或通讯作者在Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等国际期刊发表学术论文400余篇；获授权发明专利40项；撰写中英文专著2部，教材2部。获教育部自然科学二等奖1项（第一完成人），获日内瓦国际发明展金奖，中国产学研合作创新奖，江西省教学成果二等奖3项（第1完成人），中国侨界贡献奖，获全国宝钢优秀教师奖。 南昌大学 教授 袁凯 袁凯，南昌大学教授，博士生导师，德国伍珀塔尔大学和南昌大学双博士学位。主要从事纳米能源材料的设计合成及其在能量转换与存储系统中的应用研究，如超级电容器、金属-空气电池和燃料电池等。在J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.，Energy Environ. Sci.等国际知名期刊发表学术论文50余篇。主持国家自然科学基金，江西省杰出青年科学基金等项目，获博士后创新人才支持计划和青年井冈学者奖励计划。 扫码阅读陈义旺教授与袁凯教授团队的精彩Account文章： Breaking the Scaling Relationship Limit: From Single-Atom to Dual-Atom Catalysts Longbin Li, Kai Yuan*, and Yiwang Chen* 原文链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.1c00264 投稿指南
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