郑州大学「国家优青」卢思宇，联手段镶锋，新发Nature Synthesis！单原子催化剂新进展！

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单原子催化剂（SACs）表现出优异的每个金属位点的固有活性，但往往受到低金属负载的限制，从而影响整体催化性能。常用于合成SACs的热解策略通常会在高金属负载时出现聚集现象。

2024年7月15日，郑州大学化学学院卢思宇教授、美国加州大学洛杉矶分校化学与生物化学系段镶锋教授团队合作在Nature Synthesis期刊发表题为“Synthesis of ultrahigh-metal-density single-atom catalysts via metal sulfide-mediated atomic trapping”的研究论文，郑州大学化学学院常江伟助理研究员为论文第一作者，段镶锋教授、卢思宇教授为论文共同通讯作者。

卢思宇，郑州大学化学学院教授/碳点研究中心主任/能源化学研究所副所长，国家优秀青年基金获得者，专注于碳点的可控制备及其在发光、生物和催化等领域的应用研究。

常江伟，郑州大学化学学院直聘研究员（助理研究员），专注于功能碳材料/单原子催化剂的创制及其能源转化与存储、电化学催化技术（OER/HER/ORR等）、能量存储与转换器件等研究；2016年硕士毕业于太原理工大学化工学院；2021年博士毕业于大连理工大学化工学院；2021年8月加入郑州大学。

该研究报道了一种通过金属硫化物介导的雾化工艺合成超高密度金属-氮-碳（UHDM-N-C）SACs的通用方法。研究结果表明，该方法适用于过渡金属、稀土金属和贵金属，在800°C下实现了17种金属负载＞20wt%的SACs（其中Cu负载为26.9 wt%、Dy负载为31.2 wt%和Pt负载为33.4 wt%），以及具有超高金属含量的高熵二元和三元SACs。原位X射线衍射和透射电子显微镜以及分子模拟揭示了纳米粒子到单原子的动态转变过程，包括金属硫化物的热分解和释放的金属原子的捕获，从而形成热力学上稳定的M-N-C分子。原位 X 射线衍射和透射电子显微镜以及分子模拟揭示了纳米粒子到单原子的动态转变过程，包括热驱动的金属硫化物的分解和释放的金属原子的捕获，从而形成热力学上稳定的M-N-C分子。该研究表明，高N掺杂是实现超高金属原子负载的关键，而金属硫化物介导的过程对于避免高负载下的金属聚集至关重要。结果表明，随着Ni含量的增加，SACs在电催化析氧反应中表现出金属负载依赖性活性。

图1. 具有超高负载量孤立金属原子的设计和可控制备SACs的示意图

图2. UHDNi-N-C SACs的结构表征

图3. 具有超高负载量的其他金属元素的普遍性

图4. 高熵UHD SACs的可视化

图5. 原子化机制的揭示

图6. OER性能

总之，该研究建立并验证了一种超高N掺杂辅助MxSy纳米颗粒到单原子的过渡策略，用于合成高金属负载的SACs，解决了SAC合成中的一个关键难题。实验和理论分析表明，这种动态原子化转换在能量上是有利的，从MxSy纳米颗粒中释放的金属原子被载体中的N掺杂物捕获，从而在原位形成热力学上稳定的M-N4-C结构。在碳载体中的超高N掺杂是实现UHDM-N-C SACs的先决条件。这种形成机制是通用的，并且可以很容易地建立UHDM-N-C SACs库，涵盖9组元素，其中23种金属负载>10 wt%， 17种元素负载超过20 wt%，稀土金属和贵金属Pt负载超过30 wt%。该方法也可以很容易地扩展到制备高熵UHD SACs。制备的UHDNi-N-C SACs还具有优异的OER性能，其ƞj100仅为309mV。该策略在避免超高金属负载SACs中的金属聚集方面取得了突破性进展，为能源转换技术中的高性能SACs铺平了道路。

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