Nature Materials:合成原子分散催化剂的通用方法_photochemical tuning of dynamic defects for high-p-优快云博客

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研究人员提出了一种通用的光化学方法，通过调节金属氧化物载体的动态缺陷来控制氧空位，从而增强金属-载体的特异性相互作用，合成出具有高活性和稳定性的原子分散催化剂，如Pt-DSA/TiO2，展示了在光催化析氢和PET光重整反应中的优异性能。

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Nature Materials:合成原子分散催化剂的通用方法

原子分散催化剂（Atomically dispersed catalysts: ADCs）可提供最大的原子利用效率，并在降低工业化学过程成本方面具有巨大潜力。 ADCs 表现出独特的物理化学性质，其基础是金属原子中心所表现出不寻常的局部配位环境，从而产生了与传统纳米颗粒不同的催化反应途径。

金属和氧化物界面上的金属-载体相互作用是决定传统多相催化剂活性和稳定性的关键组成部分。在原子极限下，原子催化剂的局部配位环境决定了与氧化物载体的界面以及这种金属原子-载体相互作用的性质。因此，原子催化剂中的键合性质决定了ADCs 的独特性质(活性和稳定性)。

通常，ADCs 是在氧化物载体上合成的，利用其表面的天然缺陷位点（例如空位、台阶、晶界和位错）来锚定催化活性原子。然而，由于各种类型的表面缺陷位点的非特异性稳定，这种锚定方法通常会导致不均匀的局部构型的形成。

此外，但由于催化活性金属原子和载体之间的非特异性相互作用较弱，金属和载体之间的这些非特异性相互作用常常导致在反应条件下发生团聚现象，开发活性且稳定的原子分散催化剂具有挑战性。为了通过促进金属和载体之间的特定相互作用来增强 ADCs 的催化活性和稳定性，研究人员尝试在表面使用特定的配体支架。然而，该方法通常涉及复杂的自下而上合成过程或苛刻的高温掺杂条件，导致合成可控性较低。由于这些原因，同时实现 ADCs 的高稳定性和活性，特别对于重要的工业载体催化剂来说仍然是一个巨大的挑战。

已有研究表明可通过调整可还原性载体的缺陷动力学来控制 ADC 的金属-载体相互作用。常用方法有静电或化学刺激法，这些方法会影响 TiO₂、ZnO 和 CeO₂等氧化物中点缺陷的位置和数量。例如，通过向锐钛矿型 TiO₂ 引入过量的负电荷，大量氧空位 (VOs) 可以向表面的反应中心迁移。此外，用氢气处理可还原性载体可以改变 VOs 的表面无序以及能量大小。

然而，尽管有这些发现，仍然需要一个通用的机械框架来更好地控制和优化表面缺陷以及相关的金属-载体相互作用同时提高 ADC 的活性和稳定性。

在这里，首尔大学Taeghwan Hyeon、庆熙大学Minho Kim、高丽大学Byoung-Hoon Lee报道了一种通过调节光化学缺陷来控制氧空位动力学合成原子分散催化剂的通用方法，这可以诱导特定的金属-载体相互作用。
在这里插入图片描述

所开发的合成方法提供了金属动力学稳定的原子催化剂，可应用于可还原的金属氧化物载体(包括TiO₂、ZnO和CeO₂)，以及含有各种催化活性的过渡金属(包括Pt、Ir和Cu)。优化后的 Pt-DSA/TiO₂ 显示出前所未有的高光催化析氢活性，产生 164 mmol g⁻¹ h⁻¹，周转频率为 1.27 s⁻¹。

此外，为了探索 Pt-DSA/TiO₂催化剂的更多实用可能性，将其应用到 PET 的光重整反应进行光催化制氢，这个过程产生42.2mmolg_sub⁻¹氢气，实现了总转化率达到98%。

这为减少塑料废物并同时生产有价值的能源提供了一个有前景的解决方案。

Lee C W, Lee B H, Park S, et al. Photochemical tuning of dynamic defects for high-performance atomically dispersed catalysts[J]. Nature Materials, 2024: 1-8.
DOI: 10.1038/s41563-024-01799-y

论文原文：Photochemical tuning of dynamic defects for high-performance atomically dispersed catalysts