Nano Select:双原子催化剂和单团簇催化剂—原子级分散非均相催化剂的新成员

近年来,原子级分散的金属催化剂由于其具有较高的原子利用效率,活性,稳定性和选择性而引起了广大研究者对多相催化的极大兴趣。单原子催化剂(SAC)的快速发展的同时衍生出了双原子催化剂(DACs)和单团簇催化剂(SCCs)。DACs和SCCs也属于原子级分散催化剂,具有较高的原子利用效率、良好的选择性和高稳定性。除此之外,DACs和SCCs中相邻金属位点间的协同作用不但可以提高其催化活性也可以增加金属负载率,因此成为多相催化领域的前沿领域。有鉴于此,北京化工大学的程道建教授等人在Nano Select上发表了题为“From double-atom catalysts to single-cluster catalysts: a new frontier in heterogeneous catalysis”的综述性文章(DOI: 10.1002/nano.202000155),该文对近几年DACs和SCCs在实验和理论计算方面的最近研究进展进行了详细总结。此外,文章对DACs / SCCs的结构与催化性能之间的关系进行了很好的分析,包括载体效应,协同效应和配位环境的影响。最后,系统地总结和分析了SACs与DACs / SCCs之间在应用上的异同,并对DACs/SCCs未来的发展趋势进行了讨论。希望这篇综述可以为DACs/SCCs的设计和开发提供指导,从而促进具有高效催化性能的原子级催化剂的发展。

本文从载体效应,配位作用和协同作用三个方面总结了DAC / SCC的独特结构与催化性能之间的关系。与SAC不同,DACs/SCCs的最大优点就是相邻金属原子之间具有相互作用,这种相互作用不仅是单个原子功能的简单加和,它有助于调节催化活性位点的电子结构,有效提高催化性能。载体材料在催化过程中的作用不仅是固定金属物种,还可以帮助优化金属原子的局部几何结构和电子结构。因此,选择合适的支撑材料在DAC / SCC的优异性能中起着至关重要的作用。一旦将金属物种被锚定在载体上,金属与载体间的强相互作用可有效调控目标反应的电催化活性和选择性。然而,在DAC / SCC的制备过程中会形成各种配位结构,不同的配位结构会造成金属与载体间相互作用的差异,从而影响催化性能。因此,分析金属原子的配位方式是在结构和活性之间建立明确关联的关键步骤。配位效应不仅可以影响金属中心的结构和电子性能,还可以调节催化反应路径。