近日，中国科学院理化技术研究所张铁锐研究员团队的AMR述评文章“Silica Encapsulation Strategy for Protection and Controllable Synthesis of Nanocatalysts”在线发表。文章着重总结了二氧化硅封装策略在纳米催化剂保护和可控合成方面的研究进展，同时提出了二氧化硅封装策略在纳米催化剂合成和应用方面的挑战和发展前景。

关键词：二氧化硅封装，纳米催化，保护，可控合成，核壳结构

01  文章内容简介

纳米催化剂因其在化学品生产、环境保护及能源转换等众多催化领域的广泛应用而备受关注。然而，其高比表面积的特性虽然赋予了其高效的催化活性，却也导致了在苛刻条件下的不稳定性。此外，高温处理作为合成纳米催化剂的常规方法，能够加速原子的扩散并促进新型催化剂的形成，但这一过程也可能引起催化剂的过度生长和形貌变化，进而影响其性能。因此，开发可以保护和可控合成纳米催化剂的通用策略意义重大。最近的研究表明，二氧化硅封装技术为解决这一问题提供了理想的途径。这种技术不仅能够通过核壳结构封装纳米催化剂，防止其在催化过程中发生团聚，而且由于二氧化硅的卓越热稳定性和易于蚀刻的特性，对于制备具有精确尺寸和形态的纳米催化剂起到了关键作用。本篇综述了本课题组在二氧化硅封装策略方面的研究成果，涵盖了贵金属催化剂的保护、超小贵金属纳米颗粒的合成与保护、贵金属基纳米合金的合成、非贵金属基纳米催化剂的合成，以及碳基单原子催化剂的合成等多个方面。首先，我们介绍了多种纳米反应器的设计结构，这些纳米反应器可以有效保护单个或多个纳米颗粒，从而增强纳米催化剂的性能。此外，我们还探讨了二氧化硅封装技术的最新进展，这些进展不仅推动了新型纳米催化剂的开发和合成，还使得催化剂在保持可调节尺寸的同时，即使在高温环境下也能维持卓越的催化活性。最后，我们总结并提出了封装策略在纳米催化剂合成和应用中的一些挑战和发展前景，希望为将来的研究提供启发。

02  AMR：请问您选择该领域的初心是？

作者团队：

纳米催化剂虽然在众多催化领域展现出了巨大的应用前景，但其高比表面能所引发的不稳定性也成为了制约其广泛应用的瓶颈。因此，开发出一种能够增强纳米催化剂稳定性、维持其原始尺寸和形态，并确保其长期有效发挥作用的策略，显得尤为关键。二氧化硅不仅具备卓越的热稳定性和生物相容性，还能实现厚度和孔结构的精确控制，并且来源丰富、成本相对较低。基于这些优势，我们致力于在纳米催化剂表面构建一层二氧化硅保护层，旨在有效克服纳米催化剂的不稳定性问题，实现纳米催化剂的保护和可控合成方面，进一步提升其催化性能。

03  AMR：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：

尽管二氧化硅封装技术在纳米催化剂的保护和可控合成方面已经取得了一系列的研究成果，但仍存在一些挑战和机遇等待探索。首先，深入研究二氧化硅层的厚度和孔径如何影响纳米反应器的性能以及对纳米颗粒的保护效果是至关重要的。通过精细调控这些参数，我们有望实现对催化过程的选择性控制。其次，二氧化硅通常被视为一种惰性载体，但在热催化领域，有时根据反应不同需要使用不同的催化载体材料，因此发展其它材料（如：氧化钛、氧化铈、氧化锆）为保护层来替代二氧化硅壳层，有望更适应特定的催化反应需求。此外，在电催化领域，由于二氧化硅的导电性较差，合成后的催化剂往往需要去除二氧化硅层，这一步骤不仅延长了合成路径，也增加了合成过程的复杂度。因此，探索具有良好导电性和稳定性的碳基纳米材料来替代二氧化硅层，将是一个值得关注的研究方向。这些挑战和机遇预示着未来研究的广阔前景，有望推动纳米催化技术的发展。

04  AMR：您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

目前，该领域的研究主要聚焦于模型催化反应的探索。然而，我相信，将二氧化硅封装技术应用于关键的工业催化反应，将有望显著延长催化剂的使用寿命，并提升其活性，从而使其在工业应用中更具竞争力。此外，二氧化硅封装策略为在高温等复杂条件下可控合成新型小尺寸纳米催化剂提供了一种有效的途径。这一策略的应用，预示着我们能够开发出更多创新的纳米材料（例如合金、固溶体、金属间化合物、间隙型化合物及碳材料等）用于催化领域。这不仅将丰富纳米催化剂的材料种类，也将为科学研究和工业应用带来更多的可能性和选择。我期待这一领域的研究能够不断突破，为实现更高效、更环保的催化技术贡献力量。

作者团队简介

●中国科学院理化技术研究所研究员 张铁锐

张铁锐，中国科学院理化技术研究所研究员，博士生导师，现任中国科学院光化学转换与功能材料重点实验室主任。吉林大学化学学士（1994-1998），吉林大学有机化学博士（1998-2003）。并在德国（2003-2004）、加拿大（2004-2005）和美国（2005-2009）进行博士后研究，2009年底回国受聘于中国科学院理化技术研究所，主要从事光催化太阳能燃料和增值化学品等能源转换催化剂纳米材料方面的研究，在Nat. Catal.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.等期刊上发表SCI论文330余篇，累计引用超过3.7万次，H指数107，连续入选2018-2023科睿唯安“全球高被引科学者”榜单，并授权国家发明专利44项。2017年当选英国皇家化学会会士。曾获得：皇家学会高级牛顿学者、德国“洪堡”学者基金、国家基金委“杰青”、纳米材料科学青年科学家奖以及太阳能光化学与光催化领域优秀青年奖等奖项。兼任Science Bulletin、Industrial Chemistry & Materials、Nano Research Energy与Transactions of Tianjin University、《天津大学学报》（英文版）等刊物副主编，以及Advancecd Energy Materials、Advanced Science、Scientific Reports、Materials Chemistry Frontiers、ChemPhysChem、SolarRRL、Carbon Energy、Innovation、SmartMat等期刊编委。现任中国材料研究学会青年工作委员会-常委，中国感光学会光催化专业委员会-副主任委员、中国化学会青年工作者委员会-委员等学术职务。

●中国科学院理化技术研究所研究员 尚露

尚露，中国科学院理化技术研究所研究员、硕士生导师，中国科学院青年创新促进会优秀会员。致力于纳米/原子级催化材料的制备及应用，如燃料电池和异相催化。安徽师范大学应用化学学士（2002-2006），浙江理工大学材料物理与化学硕士（2007-2010），中国科学院大学物理化学博士（2010-2013）。目前在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.和Nat. Commun.等期刊发表论文80余篇，被引12000余次，H指数51，入选2022、2023年度科睿唯安“全球高被引科学家”名单。兼任Green Energy Environ.、Mater. Today Energy和《稀有金属》期刊青年编委及中国材料研究学会青年工作委员会第十届理事会理事。

●杨昭君，中国科学院理化技术研究所博士。致力于纳米催化剂的可控合成及在燃料电池中的应用。北京交通大学材料化学学士（2013-2017），中国科学院理化技术研究所材料学博士（2017-2022），现任中国航空综合技术研究所腐蚀效应分析工程师。目前以第一作者身份在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表论文3篇。

●谢小英，天津师范大学化学学院讲师。致力于先进能源材料的合理设计与合成及其在能量转换与存储中的应用。博士毕业于天津大学，并先后在加拿大、中国科学院理化技术研究所进行博士后研究。目前以第一作者身份在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.等期刊发表论文5篇。

●彭功傲，中国科学院理化技术研究所硕士研究生，2022年于武汉理工大学获得学士学位。主要研究方向为氧还原反应纳米催化剂的设计与合成。

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Silica Encapsulation Strategy for Protection and Controllable Synthesis of Nanocatalysts

Zhaojun Yang, Xiaoying Xie, Gongao Peng, Lu Shang*, and Tierui Zhang*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00245

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