团簇和单原子协同催化：氧化态互补机理！

劲爆消息! 《纳米结构材料》所有章节内容PDF文件均可下载！在张涛院士提出单原子催化剂（SACs）概念后，研究者们进一步定义了几种原子级催化剂：单原子合金催化剂（SAACs）、双原子催化剂（DACs）、三原子催化剂（TACs）、全暴露簇催化剂（FECCs）、单原子层催化剂（SALCs）、整体催化剂（ECs）和超高密度原子泡沫催化剂（AFCs）（详见图1）。

图1亚纳米结构原子分散催化剂的类别及示意图。

图2碳基单原子催化剂的配位结构及其原子水平表征。

参考文献:（可下载PDF文件）

https://doi.org/10.1016/B978-0-443-19256-2.00002-8

近年来，单原子催化剂（SACs）、纳米颗粒以及团簇在催化反应中的作用机制研究取得了显著进展。特别是在氧还原反应（ORR）中，单原子和纳米团簇的协同作用显示出优异的催化性能。

1.单原子与团簇的协同催化机制

研究表明，单原子和纳米团簇在催化剂中的协同作用主要通过 电子结构的微调来增强催化活性 。例如，纳米团簇可以通过 吸电子效应 改变单原子周围的 电子密度（氧化态互补） ，从而影响反应中间体的吸附和转化过程 。这种电子调控有助于降低氧还原反应的能垒，从而提高反应效率。

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01463-9

2.密度泛函理论（DFT）计算的应用

密度泛函理论计算为理解单原子与团簇的协同催化机理提供了重要工具。通过DFT计算，研究人员能够详细观察反应中心的电子状态，揭示单原子与纳米团簇之间电子转移的具体路径和机制。这些计算不仅证实了协同效应的存在，还为实验提供了理论指导，帮助优化催化剂的制备条件。

https://mp.weixin.qq.com/s/PUtQxEKqQU6QjNQ4C-3S6g

3.实验与理论的结合

实验和理论研究表明，Fe-N-C催化剂中单原子位和纳米级簇的共存显著提高了氧还原反应性能。DFT计算结果支持实验观察结果，表明Fe3C纳米团簇的存在显著改变了Fe纳米团簇周围的电子环境，增强了催化剂促进ORR的能力。

https://mp.weixin.qq.com/s/tK2OpvXLdmk6Up78cMDedg

关于团簇和单原子的氧化态互补机理，搜索结果中提供了一些相关的信息，特别是在单原子催化剂（SAC）和单金属原子团簇（AC）的相互作用和影响方面。以下是对这一主题的简要总结：

1. 单原子催化剂（SAC）

单原子催化剂因其最大的原子利用效率和可调节的电子结构，在电催化、光催化、热催化中均表现出很高的活性。单原子催化剂可以促进反应物的深度氧化，通过调整其氧化态来优化反应效率。

2. 单金属原子团簇（AC）

单金属原子团簇在催化剂中可以优化活性金属物种的电子结构，从而增强催化活性。团簇的形成通常会导致表面自由能的降低，进而促进聚集体的形成，这种聚集体可以增强单原子的催化性能。

3. 氧化态的互补机理

在Fe-based催化剂中，单原子和团簇的协同作用可以显著影响氧化反应的进行。团簇可以通过耗尽单原子位点周围的电子密度，优化单原子的氧化态，从而推动反应 。这种氧化态的调节是通过电子结构的重新分布实现的，团簇和单原子之间的电荷重新分布可以加速反应进程，单原子和团簇的协同作用显著提高了催化效率。

电子转移（氧化态互补）机理：hVB+诱导缺电子态Fe介导的PMS氧化，从而选择性地生成1O2。

https://mp.weixin.qq.com/s/pdEaXvD_12k_7OB2kLO27Q

Ru团簇中金属Ru和单原子中氧化Ru位点协同催化助力高效胺辅助CO₂加氢制甲醇：金属Ru主要应用于N-甲酰化步骤，而氧化Ru则展现出增强的酰胺氢化活性。因此，最理想的催化剂，包含独特的Ru簇与金属和氧化Ru共存（不同氧化态共存），在一锅两步过程中以卓越的选择性（超过95%）高效协同地将二氧化碳转化为甲醇。

https://mp.weixin.qq.com/s/7k-Zb2uZMLe7uTggqVLejw

4.未来展望

尽管单原子与团簇的协同催化已在实验中展现出应用前景，但仍有诸多挑战和未知因素需要进一步研究。例如， 不同金属组合的催化性能对比、反应条件对协同效应的影响、以及长期稳定性等问题都是未来的研究方向 。 综上所述， 单原子与团簇的协同催化 在提高氧还原反应效率方面显示出独特优势，通过实验与理论结合的方法，可以进一步优化这类催化剂的性能，为燃料电池等新能源技术的发展提供支持。 单原子和团簇的氧化态互补机理在催化反应中展现出优异的性能，通过电子结构的调节和活性位点的优化，可以显著提高催化剂的反应效率和稳定性。