高负载量原子级催化剂的合成

缺陷工程与空位锚定捕获机制

该组文献聚焦于利用载体表面或体相的缺陷(如氧空位、碳空位、氮/硫空位及金属空位)作为“陷阱”位点,通过增强金属-载体相互作用或空间限域效应来稳定高密度的单原子,有效防止其在高温或反应过程中的迁移聚集。

突破热力学限制的创新合成与规模化制备

此类研究提出了多种新颖的物理与化学合成策略,如级联锚定、非平衡态淬火、负压退火、层生长抑制及生物质自下而上碳化等。这些方法旨在突破传统热力学平衡下的负载量限制,实现单原子催化剂的高效、大剂量(克级)制备,金属负载量常可突破10 wt%甚至更高。

原子层沉积(ALD)精密构建技术

利用ALD技术的自限制反应特性,在原子尺度上精准控制金属的分布、密度及演变过程(从单原子到二聚体、团簇)。该技术在复杂载体(如碳纳米管、多孔氧化物、金属箔)上构建结构明确、高负载且高度分散的活性位点方面具有独特优势。

配位环境调控与新型载体工程

研究通过精确调控单原子的配位原子种类(N, O, S, P, 卤素)、配位数及对称性,或开发新型支撑材料(富勒烯、石墨炔、MOF、MXene、亚稳态相载体),优化催化位点的电子结构,从而在实现高负载量的同时提升本征催化活性。

多金属协同效应与异核双原子体系

探讨双原子催化剂(DACs)、单原子合金或高密度异核金属位点之间的协同效应。通过引入第二种金属或极性介质,利用双位点机制优化反应中间体的吸附能,打破线性比例关系的限制,提升在ORR、HER及CO2RR等反应中的性能。

理论描述符驱动的设计与高密度效应研究

结合密度泛函理论(DFT)和机器学习,探讨高负载量带来的“密度效应”,即相邻活性位点间的电子相互作用对催化机理的影响。通过定义dz2带中心、d带中心等活性描述符,为设计高负载且稳定的单原子催化剂提供理论指导。

高负载量原子级催化剂的合成

本报告综合了高负载量原子级催化剂(SACs/DACs)从理论设计、精密合成到多场景应用的全链条研究。核心进展包括:1) 通过缺陷工程与空位锚定机制,显著提升了载体对高密度金属原子的捕获能力;2) 发展了ALD、非平衡态淬火及级联锚定等创新工艺,成功突破了单原子易团聚的热力学限制,实现了金属负载量的量级跨越;3) 深入探讨了双原子协同效应及配位微环境调控对催化活性的增强机理;4) 利用理论计算揭示了高密度位点间的电子相互作用(密度效应),为高性能催化剂的理性设计提供了科学依据。这些成果为能源转化、环境治理及生物医学等领域的工业化应用奠定了坚实基础。

184 篇文献,6 个研究方向
缺陷工程与空位锚定捕获机制
该组文献聚焦于利用载体表面或体相的缺陷(如氧空位、碳空位、氮/硫空位及金属空位)作为“陷阱”位点,通过增强金属-载体相互作用或空间限域效应来稳定高密度的单原子,有效防止其在高温或反应过程中的迁移聚集。相关文献: Xiangwei Zhang et. al, 2022 等 19 篇文献
突破热力学限制的创新合成与规模化制备
此类研究提出了多种新颖的物理与化学合成策略,如级联锚定、非平衡态淬火、负压退火、层生长抑制及生物质自下而上碳化等。这些方法旨在突破传统热力学平衡下的负载量限制,实现单原子催化剂的高效、大剂量(克级)制备,金属负载量常可突破10 wt%甚至更高。相关文献: Mu Li et. al, 2025 等 36 篇文献
原子层沉积(ALD)精密构建技术
利用ALD技术的自限制反应特性,在原子尺度上精准控制金属的分布、密度及演变过程(从单原子到二聚体、团簇)。该技术在复杂载体(如碳纳米管、多孔氧化物、金属箔)上构建结构明确、高负载且高度分散的活性位点方面具有独特优势。相关文献: Mar Piernavieja-Hermida et. al, 2016 等 25 篇文献
配位环境调控与新型载体工程
研究通过精确调控单原子的配位原子种类(N, O, S, P, 卤素)、配位数及对称性,或开发新型支撑材料(富勒烯、石墨炔、MOF、MXene、亚稳态相载体),优化催化位点的电子结构,从而在实现高负载量的同时提升本征催化活性。相关文献: Chenghong Hu et. al, 2024 等 37 篇文献
多金属协同效应与异核双原子体系
探讨双原子催化剂(DACs)、单原子合金或高密度异核金属位点之间的协同效应。通过引入第二种金属或极性介质,利用双位点机制优化反应中间体的吸附能,打破线性比例关系的限制,提升在ORR、HER及CO2RR等反应中的性能。相关文献: Zheyuan Ding et. al, 2024 等 36 篇文献
理论描述符驱动的设计与高密度效应研究
结合密度泛函理论(DFT)和机器学习,探讨高负载量带来的“密度效应”,即相邻活性位点间的电子相互作用对催化机理的影响。通过定义dz2带中心、d带中心等活性描述符,为设计高负载且稳定的单原子催化剂提供理论指导。相关文献: Degao Zhang et. al, 2026 等 31 篇文献