AM杂志: 大剂量、高负载密度的单原子催化剂普适性制备

就在最近，《Advanced Materials》杂志发表了重庆大学周小元教授团队在光催化CO₂还原领域的一项重要研究进展。基于金属配位思想，他们提出利用前驱体硫脲分子在聚合形成CN基底前分离锚定单原子的原位合成策略，成功实现单原子催化剂（SACs）的高负载、宏量制备。

以Cu SACs为例，单批次可生成3.565 kg，金属单原子的负载量达到16.03 mol%，这种催化剂还能实现CO₂到HCOOH的高活性（274.88 μmol·g⁻¹·h⁻¹）和高选择性（> 99%）转化，处于世界领先水平。此外，该方法具有普适性，可推广至其他元素SACs的合成，开辟了SACs工业化应用的新前景。文章中使用的CO₂还原反应设备为泊菲莱PLR MFPR-I多功能光化学反应仪。

文章亮点

团队受到金属配位络合物知识的启发，提出了一种新颖的金属配位路线，该路线主要是通过配体（如缩二脲）与金属离子在水溶液中的快速络合形成配合物，然后将配合物进行原位热聚合，以实现高负载，大剂量制备。

要点一：球差电镜+同步辐射+DFT计算等表征证明大剂量，高负载单原子成功制备

通过使用硫脲和各种过渡金属盐作为前躯体，并预先进行缩脲反应，实现金属离子的有效分离锚定。随后，仅需一步简单的热处理，即可生成高负载、大剂量的单原子催化剂。

要点二：高负载密度单原子能有效提高CO₂向HCOOH的转化效率且具有普适性

如图4所示，本底CN表现出很低的催化活性，但是随着Cu单原子的引入，在Cu/CN上会产生大量的HCOOH和少量的CH₄/CO，这表明Cu单原子的引入对催化剂的活性提升发挥了重要作用。特别地，随着单原子的负载量的增加，其光催化性能也随之提高。结果显示催化活性依赖于单原子的负载量，可以通过调控负载量的方式来增加更多的活性位点，进而提升催化剂的光催化性能。

为了进一步拓展这种金属配位策略的普适性，团队也将该金属配位策略推广到其他过渡金属，以实现一系列过渡金属SACs（M/CN，M = Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu 和 Zn）的工业规模合成。该方法的优点在于金属离子与缩二脲快速络合，避免了多步洗涤和加热，有利于避免质量损失，进而实现SACs的规模化生产。最重要的是，该方法的关键是可以实现金属和酰胺基团之间最大化的键合，可以实现高密度金属负载。

该研究探索了一条具有低成本，大规模制备SACs的途径，为潜在的工业应用提供了可能。

文章使用设备

PLR MFPR-I多功能光化学反应仪具备4大特点：

1、可实现光热压多场协同催化

设备反应体系温度最高可达180℃（控温精度±0.5℃），压力最大可达0.9 MPa，可实现较宽的温度和压力调节，实现光热压多场协同催化；

2、全自动在线取样

内置取样阀组，可实现与色谱联用，在180℃高温和50 kPa~0.9 MPa不同压力条件下均可进行全自动在线取样，提高实验效率，减少人为误差；

3、兼容性强

多功能釜盖结合顶照和侧照多样化照射方式，可兼容光催化、光电催化和光热催化CO₂还原反应；

4、集成化程度高

反应系统集成加热、搅拌和自动取样模块于一体，体积小巧节省空间。

咨询请拨打：400-116-1365

更多案例

在PLR MFPR-I多功能光化学反应仪的助力下，周小元教授团队在近两年内发表了多篇高影响因子文章，这些文章均使用了该设备！