高负载单原子催化剂（High-Loading Single-Atom Catalysts, HLSACs）的理性设计与能源催化应用综述

作者及机构
本文由Zi-Wei Deng（北京理工大学材料科学与工程学院能源与催化中心）、Yue Liu和Jie Lin*（中国科学院宁波材料技术与工程研究所）以及Wen-Xing Chen*（北京理工大学）合作完成，发表于2024年6月的《Rare Metals》期刊（第43卷第10期）。

研究背景与主题
单原子催化剂（Single-Atom Catalysts, SACs）因其100%金属原子利用率、高催化活性和选择性成为催化领域的研究热点。然而，单原子在热力学上易团聚，导致稳定性不足，且传统SACs的金属负载量通常低于1 wt%，限制了其工业应用。本文聚焦高负载单原子催化剂（HLSACs）的设计策略与能源催化应用，系统总结了近年来该领域的研究进展，旨在为开发高效稳定的HLSACs提供理论指导和技术支持。

主要观点与论据

1. HLSACs的合成策略

   • 自上而下法（Top-down）：通过热化学或电化学方法将金属纳米颗粒或块体材料解离为单原子。例如，Jones等人通过高温分解铂纳米颗粒，将其锚定在二氧化铈纳米棒上，避免了原子团聚（负载量达2.1 wt%）。电化学方法如Zhang团队通过电沉积制备了负载量1.76 wt%的Pt单原子催化剂，其析氢反应（HER）性能稳定。
     
   • 自下而上法（Bottom-up）：通过湿化学法（浸渍、共沉淀等）、原子层沉积（Atomic Layer Deposition, ALD）和热解等方法直接构建单原子位点。例如，Hai等人结合浸渍与两步退火法，实现了23 wt%的高负载量；Yan团队通过ALD调控石墨烯载体上的Co单原子密度（2.5 wt%）。
     

2. HLSACs的能源催化应用

   • 电催化：
     
     • 氧还原反应（ORR）：Fe-N-C SACs（负载量12.1 wt%）在锌空气电池中表现出优异的ORR活性（半波电位0.890 V）。
       
     • 氮还原反应（NRR）：Mo单原子催化剂（9.54 wt%）在电催化固氮中实现14.6%的法拉第效率。
       
     • 二氧化碳还原反应（CO2RR）：Ni-N-C SACs（9.15 wt%）将CO2高效转化为CO（选择性98.7%）。
       
   • 热催化：30 wt% Fe单原子催化剂（SAS-Fe）在苯乙烯环氧化反应中展现89%的选择性，优于传统催化剂。
     
   • 光催化：Pt单原子负载的二维MOF（12.0 wt%）在产氢反应中速率达11,320 μmol·g⁻¹·h⁻¹。
     

3. 挑战与展望

   • 合成挑战：高负载下金属原子易团聚，需开发更多载体（如MOFs、氮掺杂碳）和锚定策略（如激光植入法）。
     
   • 表征技术：现有手段（如HAADF-STEM、XAS）成本高，需发展普及性更强的原子级表征方法。
     
   • 机理研究：单原子位点与载体的相互作用、反应中间体的调控机制仍需深入探索。
     

论文价值与意义
本文首次全面整合了HLSACs的合成与应用，填补了该领域系统性综述的空白。通过总结不同金属（Pt、Fe、Co等）和载体（碳材料、MOFs等）的组合效应，为设计高性能催化剂提供了理论框架。文中列举的实例（如40 wt%负载的Pt单原子催化剂）展示了HLSACs在工业催化中的潜力，为清洁能源转化和环境污染治理提供了新思路。

亮点
- 高负载突破：报道了负载量高达40 wt%的过渡金属单原子催化剂（Wang et al., 2021）。
- 方法创新：提出“级联锚定策略”（Zhao et al., 2019）和“激光植入法”等新型合成技术。
- 应用广泛性：涵盖电催化、热催化、光催化三大领域，凸显HLSACs的多功能性。

补充内容
文中还探讨了HLSACs在医药和环境领域的潜在应用（如有机污染物降解），并强调了DFT计算在揭示催化机制中的重要作用（如Fe-Mn双位点促进4e⁻ ORR路径）。