單原子催化在過去十年中引起了廣泛關注。由于其獨特的活性位點結構，單原子催化在熱催化、電催化和環境催化等許多體系中表現出超高的原子利用效率和獨特的催化活性和選擇性。

本期小豐整理了3篇單原子催化劑近期發表在Nature等頂刊的文章，一起看下吧~

Nature

從軌道層面解鎖單原子催化劑金屬-載體相互作用

2025年4月2日，期刊Nature報道研究人員在14種半導體載體表面構建了34種鈀（Pd）單原子催化劑，通過調控載體種類與尺寸，實現了對載體最低未占分子軌道（LUMO）和最高占據分子軌道（HOMO）能級位置的精準調控。

具體而言，團隊首先利用原子層沉積（ALD）技術在SiO2基底上制備了不同尺寸的MOx（M=Zn、Co、Ni、Ga、Ti）氧化物顆粒。隨后，進一步通過Pd ALD技術將Pd單原子選擇性沉積于MOx顆粒表面，獲得系列Pd1/MOxSACs。

在乙炔選擇性加氫反應中，研究發現當ZnO、CoOx等載體尺寸降至納米級時，Pd SACs在保持高選擇性的同時，其活性較傳統塊體氧化物負載的Pd SACs提升20倍以上，打破了活性與選擇性間的“蹺蹺板”效應。其中，1.9nm ZnO負載的Pd SACs在80°C下表現出25.6min-1的優異活性，遠超文獻報道的其他Pd SACs，且為Pd1Ag/SiO2單原子合金催化劑的活性的46倍。值得注意的是，該催化劑在100h穩定性測試中未出現積碳或金屬團聚現象，展現出了卓越的穩定性。

通過理論計算揭示了其內在機制：隨著ZnO尺寸減小，其LUMO能級升高，禁帶寬度變大，與實驗結果一致。一方面，升高的ZnO LUMO縮小了與Pd HOMO的能隙，繼而增強Pd-載體軌道雜化，提升了其穩定性；另一方面，Pd原子在ZnO表面成核后，負載Pd原子的LUMO能級隨ZnO尺寸減小而誘發的增強的Pd-載體軌道雜化而逐步降低。這使得其與乙炔和氫分子HOMO能級更加匹配，從而顯著增強其吸附，并提高活性。

該理論結果與實驗結果高度吻合，同時也與FMO理論圖像相一致，展現了FMO理論在單原子催化中的可行性。

文獻名稱：Metal–support frontier orbital interactions in single-atom catalysis

Advanced Functional Materials

預配位策略精確定制設計單原子位點配位結構助力高效催化

配位結構工程是優化單原子催化劑催化性能的一種很有前途的方法，然而精確定制單原子位點仍然具有挑戰性。

2025年2月4日，期刊Advanced Functional Materials報道研究人員提出了一種預配位策略，在二維蜂窩狀碳納米泡沫上設計具有可調局部配位環境的SACs。通過強d-p軌道雜化，將金屬前驅體與定制官能團預配位在層狀Mg(OH)2模板上，制備出具有Co-N4（Co1/NC）、Co-C4（Co1/CC）和Co-C2S2（Co1/CSC）構型的SACs。

在反應過程中，層狀蜂窩狀結構有利于活性位點暴露、反應物富集和傳質。因此，盡管Co1/NC催化劑的Co負載量極低，僅為0.12wt.%，但對硝基芳烴還原表現出優異的催化活性和穩定性，在將4-硝基苯酚轉化為4-硝基苯胺的過程中，實現了優異的73668h-1的總周轉頻率（TOF），超過了大多數報道的催化劑。

實驗和DFT計算結果表明，Co1/NC具有優異的催化活性歸因于Co位點的層狀蜂窩狀結構和適度的費米電子態，這不僅有利于反應過程中活性位的暴露和反應物的富集，而且顯著加快了反應H*的形成和利用，加快了芳香族硝基還原的反應動力學。

該研究發現不僅為先進單原子催化劑的精確合成提供了可行的策略，而且加深了對化學轉化中SACs配位結構與催化性能之間相互作用的理解。

文獻名稱：A Pre‐Coordinated Strategy Precisely Tailors the Coordination Structure of Single‐Atom Sites Toward Efficient Catalysis

Angew

單原子銅簇接力催化增強尿素電合成

接力催化在調控電催化偶聯反應中不同反應物間的競爭表現出顯著優勢。然而，對于較為復雜的尿素電合成中接力催化反應機制的全面理解仍存在挑戰。

2025年3月12日，期刊Angew報道了一種氮摻雜連通孔碳（NC）載體調控的銅原子簇（CuAC）及其衛星Cu-N4單原子（CuSA）位點催化劑（CuAC-CuSA@NC），并將其用于電催化尿素合成研究。該項工作中設計的CuAC-CuSA@NC在-1.3Vvs.RHE下表現出比CuSA@NC高約3倍的尿素產率。

非原位實驗結果和原位衰減全反射表面增強紅外吸收光譜（ATR-SEIRAS）揭示了*NH2與*NH2CO物種在CuAC-CuSA@NC表面的形成順序；進一步結合理論計算闡明在CuAC-CuSA@NC催化劑上尿素合成的接力催化路徑為：“CuAC”位點促進*NO3向*NOx的轉化，隨后“CuSA”位點主導水解離提供*H用于氫化*NOx，驅動*NH2的形成后，與*CO2偶聯生成尿素。

在CO2飽和的0.1M KHCO3+0.05M KNO3電解液中，CuAC-CuSA@NC展現出優異的尿素合成性能。在?1.3V電位下，CuAC-CuSA@NC的尿素產率達42.4mmol h-1gcat-1，遠高于CuSA@NC（15.6mmol h-1gcat-1），說明“CuAC”和“CuSA”活性位點的共存可以促進C?N偶聯的發生。此外，研究人員還對CuAC-CuSA@NC進行了尿素合成中的電化學循環穩定性測試，表明催化劑優異的穩定性。

該研究明確了Cu元素不同形態的“CuAC-CuSA”協同位點上尿素電合成的接力催化過程，為設計級聯催化反應的先進催化劑提供了新的見解。

文獻名稱：Elucidating Relay Catalysis on Copper Clusters With Satellite Single Atoms for Enhanced Urea Electrosynthesis

單原子催化劑載體推薦

XF392

層狀氮摻雜碳粉末(用于Cu原子催化劑載體）

片徑：0.5-5μm

外觀：黑色粉末

N含量：22.24wt%

純度：>99wt%

結晶性：無定形

XF393

層狀氮摻雜碳粉末(用于貴金屬原子催化劑載體）

片徑：0.5-5μm

外觀：黑色粉末

N含量：14.70wt%

純度：>99wt%

結晶性：無定形

XF325

層狀氮摻雜碳粉末（用于鐵、鈷、鎳及稀土單原子催化劑載體）

片徑：0.5-5μm

外觀：黑色粉末

N含量：16.31wt%

純度：>95wt%

結晶性：無定形

單原子催化劑產品推薦

XF310

氮摻雜碳鐵單原子催化劑

XF337

氮摻雜碳鈷鎳雙原子催化劑

XF368

氮摻雜碳銠單原子催化劑

XF369

氮摻雜碳銥單原子催化劑