三维“碳巢”单原子催化剂：设计原理、结构优势及应用案例！

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碳基单原子催化剂的配位结构及其原子表征

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

设计原理：

三维碳巢单原子催化剂是通过将单个原子嵌入到碳材料的三维结构（包括介观或微观三维结构）中，通常这种碳结构具有高度的有序性和可控的孔隙，例如介孔炭、碳纳米管或蜂窝石墨烯等。单原子的嵌入不仅可以利用碳材料的优异物理和化学稳定性，还能通过单原子的精确位置控制来优化催化剂的活性和选择性。

结构优势：

高原子利用率：通过将单个原子固定在碳巢结构中，可以实现原子级的利用率，这对于提高催化剂的活性和稳定性非常关键。

电子结构可调性：碳材料良好的导电性和表面积使得可以在单原子层面调节电子结构，从而优化催化性能。

稳定性增强：三维碳巢结构可以有效防止单原子催化剂的聚集和烧结，增强其长期稳定性。

活性位点保护：碳材料可以 为单原子提供保护 ，减少外界因素对催化活性位点的影响，从而提高催化剂的使用寿命。

1. 李亚栋院士ACS Catal成果：3D碳巢操纵FeN4单原子

关于三维碳巢中单原子催化剂的催化机理，最新的研究聚焦于通过调控邻近微环境来影响单原子催化剂的电子结构，从而提高其催化效率。例如，研究表明，通过化学交联的聚合物合成的三维碳巢可以提供更多的缺陷密度和硫保留，从而在氧还原反应（ORR）中展现出优异的性能。

具体来说，研究中使用的化学交联吡咯/噻吩共聚物（CCPPT）在热解过程中形成丰富的纳米孔结构（微观碳巢），这些结构有助于微调相邻的单原子位点（如FeN4位点），通过改善位点的电子构型来降低ORR的能垒和减少含氧中间体的吸附强度。这种微环境的调控对于提高催化剂的活性和稳定性至关重要。

调控机理：CC-Fe1/NSC上形成的碳巢状空位缺陷（Cvd）和FeN4/S2片段共同诱导了FeN4位点的电子扰动和电荷再分布，导致Fe中心的电子耗尽和相邻N原子的电子积累。

因此，基于这种三维碳巢的单原子催化剂在氧还原反应中的半波电位达到了0.91 V（相对于可逆氢电极RHE），这一数值超过了商业Pt/C催化剂的性能，也优于其他未掺杂的FeN催化剂。这一发现为设计高效、稳定的单原子催化剂提供了新的策略，特别是在能源转换和存储领域，如燃料电池的应用中具有重要意义。

DOI：10.1021/acscatal.4c06546

2. 陆桂龙AFM成果：三维多孔碳巢NiCu双单原子催化剂

关于三维碳巢结构的单原子催化剂的催化机理，目前的研究主要集中在如何通过精确的合成方法来控制单原子的分布和电子状态，以优化其催化性能。一项研究通过两步热解方法合成了三维多孔碳（介观碳巢）负载的NiCu单原子催化剂，使用SiO2作为模板剂。这种方法可以通过调节热解温度和前驱体中的金属种类和含量，来控制N物种的分布和原子中心的电子状态。

研究还发现，通过这种合成策略，可以显著调节催化剂的活性位点，从而优化其催化性能。此外，通过表征技术如X射线光电子能谱（XPS）、X射线吸收近边缘结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS），深入理解了单原子催化剂的电子结构和配位环境。这些研究成果不仅展示了结构-性能关系的重要性，还为设计高效的能源转换和存储电催化剂提供了重要的科学依据。

DOI：10.1002/adfm.202419075

3. 张伟等Angew最新成果：鸟巢状空心碳载体-原子分散的Fe2和Ni催化剂

本文通过设计一种包含原子分散Fe₂和Ni位点（分别以Fe₂N₆和NiN₄形式存在）的催化剂，并将其协调到氮掺杂空心碳微球（纳米介观空心碳鸟巢）上，从而显著增强了ORR和OER的催化性能。

DOI: 10.1002/anie.202421168

综上所述，通过调控三维碳巢的金属位点微环境、电子态和载体介观形貌，可以有效地改善单原子催化剂的活性和稳定性，从而提高其在氧还原等化学反应中的性能。这一机理研究为未来单原子催化剂的设计和应用提供了理论基础和实验指导。