原子分散材料（Atomically Dispersed Materials, ADMs）在多相催化领域的研究进展与应用综述
作者及出版物信息
本文由Tao Gan和Dingsheng Wang（通讯作者）团队撰写，发表于期刊Nano Research 2024年第17卷第1期（18-38页），DOI: 10.1007/s12274-023-5700-4。
研究背景与主题
催化剂的开发是化学工业和材料科学的核心课题。传统催化剂中金属活性位点利用率低，而原子分散材料（ADMs）通过将金属原子以单原子或低核簇形式锚定在载体上，实现了金属原子的最大化利用。ADMs因其高度不饱和的配位环境和可调控的电子结构，在环境催化、电催化、有机合成、电池、传感器及酶催化等领域展现出独特优势。本文系统综述了ADMs的设计策略、结构-活性关系及其在不同领域的应用进展，并探讨了当前挑战与未来机遇。
主要观点与论据
ADMs的结构特性与催化优势
- 高活性位点利用率：ADMs通过孤立金属原子（如Pt1、Fe1等）的分散，使每个金属原子均成为活性中心，显著提升原子经济性。例如，Pt1/FeOx单原子催化剂在CO氧化反应中表现出比纳米颗粒更高的活性（Qiao et al., Nat. Chem. 2011）。
- 可调控的配位环境：通过载体（如CeO2、MOFs、氮掺杂碳等）的配位场调控，可改变金属中心的电子态。如Pt-N3C1位点通过配体设计实现了木质素模型分子中C-C键的高效断裂（Cui et al., J. Am. Chem. Soc. 2021）。
ADMs在环境催化中的应用
- 低温CO氧化：Pt/CeO2单原子催化剂通过CeO2表面晶格氧的活化，在室温下实现CO完全氧化（Nie et al., Science 2017）。
- VOCs降解：MnO2负载的Pt单原子催化剂（Pt1/MnO2）在甲苯氧化中表现出高稳定性，归因于Pt与载体间的强电子相互作用（Zhang et al., Appl. Catal. B: Environ. 2019）。
电催化领域的突破
- 析氢反应（HER）：碳载体上孤立的Pt单原子通过Pt-O配位结构优化氢吸附自由能，在酸性介质中过电位低至15 mV（Yang et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2021）。
- 氧还原反应（ORR）：Fe-N4位点与相邻Pt原子协同，显著提升ORR活性（Han et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2021）。
有机合成与光催化
- 选择性加氢：Fe1N3结构的单原子催化剂在硝基苯转移加氢中表现出>99%的选择性（Tian et al., Sci. China Mater. 2020）。
- 可见光驱动烷烃脱氢：单原子Pt催化剂在常温下实现烷烃非氧化脱氢（Zhang et al., Nat. Energy 2022）。
能源存储与转换
- 锌空气电池：双原子Fe-Se位点催化剂通过协同效应提升氧析出（OER）和氧还原（ORR）活性，实现低温下高效充放电（Wang et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2023）。
- 锂硫电池：单原子Co-N-C催化剂抑制多硫化物穿梭效应，提升循环稳定性（Zhuang et al., Nano Res. 2020）。
挑战与未来方向
- 稳定性问题：高温或强酸/碱环境中单原子易团聚。解决方案包括开发高熵载体（如高熵氧化物）或构建双原子位点（如Pd2/CeO2）。
- 规模化制备：现有合成方法（如湿化学法、原子层沉积）成本较高，需发展普适性策略。
论文价值与意义
本文全面梳理了ADMs从基础研究到工业应用的进展，提出“配位工程-电子结构调控-性能优化”的设计范式，为下一代催化剂的开发提供了理论框架。其科学价值在于揭示了单原子活性中心的构效关系，应用价值体现在推动清洁能源、环境治理及绿色合成等领域的技术革新。
亮点总结
1. 跨学科融合：结合表界面科学、配位化学及理论计算，阐明ADMs的活性起源。
2. 技术前瞻性：提出“动态单原子催化”概念（如液态Ga单原子催化剂），拓展了传统催化体系的边界（Zhang et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2023）。
3. 工业关联性：针对汽车尾气处理（如三效催化剂）、H2O2电合成等实际需求，提出低铂化解决方案。
其他重要内容
- 理论指导：密度泛函理论（DFT）计算与原位表征技术（如XAFS、STEM）的结合，为ADMs的理性设计提供依据。
- 新兴方向：双原子催化剂（DACs）通过金属间协同效应，进一步突破单原子催化的性能极限（Li et al., Adv. Energy Mater. 2022）。