研究背景
在众多催化剂中，单原子催化剂（SACs）因其优异的催化性能和高原子利用率而成为研究的热点。SACs由原子级分散的金属构成，通常以氮掺杂碳材料作为载体，具有完全暴露的活性位点和可调的局部配位环境，这使得它们在电催化、化学反应和能源转化等领域展现出巨大的应用潜力。然而，现有的SACs合成方法在实现高金属负载方面存在显著挑战。许多传统的合成策略，如热解法，通常导致金属原子的聚集和形成纳米颗粒，限制了催化剂的有效性。特别是在金属负载量超过10 wt%时，金属原子往往容易重新聚集成簇或大纳米颗粒，从而降低活性位点的密度。这一问题直接影响了SACs在实际应用中的表现，特别是在电化学能量转换和储存装置中，低金属负载会导致较差的质量传递和能量效率。为了解决这一问题，郑州大学卢思宇&加州大学洛杉矶分校段镶锋等人合作探索了多种策略来提高金属原子的稳定性和分散性。近期的相关成果在“Nature Synthesis”期刊上发表了题为“Synthesis of ultrahigh-metal-density single-atom catalysts via metal sulfide-mediated atomic trapping”的最新论文。本研究提出了一种超高氮掺杂辅助的MxSy纳米颗粒到单原子转化的新策略，成功解决了高金属负载的合成问题。通过调节氮掺杂的浓度，作者实现了高达33.4 wt%的金属负载，避免了聚集现象。这一合成机制不仅适用于多种金属元素，还能有效地扩展到高熵SACs的制备。作者的研究表明，这种动态原子化转化过程是热力学上有利的，释放的金属原子在载体中形成稳定的M–N4–C结构。最终，所制备的UHDNi–N–C SACs在氧气演化反应中展现了卓越的催化活性，验证了这一策略的有效性。
科学亮点
（1）本研究首次提出了超高氮掺杂辅助的MxSy纳米颗粒到单原子的转化策略，成功合成了高金属负载的单原子催化剂（SACs），解决了SAC合成中的关键挑战。该方法不仅有效避免了金属聚集现象，还实现了金属负载量超过20 wt%的多个SACs样品。（2）实验通过将碳点、硫脲、尿素和金属氯化物的优化混合物加热至600°C，在氮气氛围中生成支持在超高氮掺杂碳晶格上的金属硫化物纳米颗粒。加热至600–700°C时，金属硫化物的热分解过程被直接观察到，释放的金属原子被氮掺杂碳载体捕获，形成热力学稳定的M–N4–C结构。（3）研究表明，氮掺杂的超高浓度是实现超高密度（UHD）M–N–C SACs的必要条件。通过此策略，作者合成了23种UHDM–N–C SACs，金属负载量超过10 wt%，其中17种元素的负载量超过20 wt%，稀土金属和贵金属铂的负载量超过30 wt%。（4）该方法还适用于制备高熵UHD SACs，五元和六元SACs的金属负载量分别达到25.0 wt%和18.1 wt%。作为应用证明，UHDNi–N–C SACs在氧气演化反应中展现出优异的催化性能，ƞj100仅为309 mV，Tafel斜率为56.8 mV/dec，显示出良好的耐久性。
图文解读
图1：设计和可控制备具有超高负载量孤立金属原子的SACs的示意图。
总结展望
传统的SAC合成方法往往受到低金属负载量的限制，导致催化性能不足。而本研究首次提出的超高氮掺杂辅助的MxSy纳米颗粒到单原子的转化策略，突破了这一瓶颈，展示了高金属负载量（>10 wt%）的合成潜力。这一成果强调了氮掺杂对金属原子捕获和稳定的重要性，揭示了氮掺杂碳载体在催化剂设计中的关键作用。此外，研究结果表明，通过调控载体的氮掺杂浓度，可以显著改善金属原子的迁移路径，促进其在合成过程中原子化，从而形成热力学上稳定的M–N4–C结构。这一发现为未来的催化剂设计提供了新的思路，强调了材料的化学环境对催化性能的影响。值得注意的是，所制备的UHDNi–N–C SACs在氧气演化反应中的优异性能，验证了该方法在实际应用中的有效性。这不仅为能源转换技术提供了新的催化剂选择，也为实现更高效的催化反应提供了重要的理论基础。
原文详情：
Chang, J., Jing, W., Yong, X. et al. Synthesis of ultrahigh-metal-density single-atom catalysts via metal sulfide-mediated atomic trapping. Nat. Synth (2024).
https://doi.org/10.1038/s44160-024-00607-4
