广油首篇Adv. Mater.:“单原子气凝胶”——材料及催化领域的新概念!
来源: 李泽胜/
广东石油化工学院
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2023-02-22

“单原子气凝胶”——材料及催化领域的新概念!

 
       单原子催化剂(SACs)具有非常高的催化活性和高的原子利用率。目前,SAC已成为催化领域的前沿和先进功能材料。气凝胶是高度多孔的材料,其具有极低的密度和极高的孔隙率。这些孔隙在确定其性质(如表面反应活性和机械稳定性)方面起着关键作用。SACs和气凝胶的联合可以充分反映它们的结构优势,并产生新的增强效果。我们提出了“原子气凝胶材料”(AAMs)(或单原子气凝胶(SAAs))的概念,用以描述材料和催化领域中这种新型的单原子形式。根据“凝胶”的基本单位,AAM可分为两类:载体级AAMs(具有微米、纳米或亚纳米的孔结构)和原子级AAMs,具有原子缺陷或氧桥亚纳米孔结构)。前者(即单原子功能化气凝胶)的基本单元是纳米结构中的载体材料,而后者(即单原子构建的气凝胶)是原子结构中的单金属原子。原子缺陷或氧桥的AAM将是多相催化或非催化领域未来的重要发展方向。最后指出了这种新型“原子纳米系统”在实际应用中的设计建议、潜在挑战和应对策略 (图1)

图1 本综述的框架示意图 

 

气凝胶是指由基本的纳米单元”(如纳米颗粒、纳米片、纳米线等)构建而成的超轻三维多孔材料(包括宏观泡沫状气凝胶和介观粉状气凝胶)。金属单原子材料是指金属原子以原子分散的状态分布在特定载体上(金属原子与之间存在配位化学键)的功能材料。单原子与气凝胶的结合可以产生高度创新的原子纳米系统。为此,作者在这篇综述中提出了原子气凝胶材料(AAMs)(或单原子气凝胶(SAAs))”的新概念来说明这种独特的原子纳米体系,其中AAMs包括两个方面的基本含义(具体见2):(1)金属单原子官能化宏观气凝胶(载体级AAMs”载体级SAAs”)(2)金属单原子自组装介观气凝胶(原子级AAMs”原子级SAAs”)

(1) “载体级AAMs”(金属单原子功能化宏观气凝胶(即气凝胶负载单原子材料): 通常气凝胶(包括碳基气凝胶和金属气凝胶)是金属单原子的功能载体,其中金属单原子是具有高活性的催化(或非催化)组分(在少数情况下,载体也可以是活性组分)。这种AAMs的孔隙结构是基于几十纳米到几十微米的载体纳米单元和相关的介孔或大孔结构组装而成的。因此,这种AAMs就是所谓的载体级AAMs” (2)

(2) “原子级AAMs”(金属单原子自组装介观气凝胶(即真正的单原子气凝胶): 一般情况下,金属原子组装成单原子气凝胶高度依赖于金属和非金属配位结构,配位数较低(如小于4),大多数金属位点处于不饱和配位的高活性状态。这种AAMs的孔隙结构是一种基于亚纳米(或小于2纳米)微孔的三维原子网络结构,由非金属隔离的金属单原子单元构建而成。因此,这种AAMs就是所谓的原子级AAMs” (2)

 

图2 AMMs的基本类型  

原子级AAMs,即原子缺陷或氧桥单原子气凝胶,将在不久的将来成为多相催化或非催化应用领域的重要发展方向。在此,为了更好地探索原子级气凝胶的催化活性,促进其大规模应用,作者提出以下合理建议: (1)以二维原子级结构单元(独立式单原子层催化剂(SALCs)或独立式非晶超薄金属纳米片(AUMNs))为基础,通过自组装方法设计宏观单原子级AAMs(即宏观原子气凝胶材料); (2)以负载双原子或三原子为基础,采用外延氧桥生长法设计负载原子级AAMs (即负载原子气凝胶材料)(具体见3)。对于前者,其本质是自下而上的纳米级组装和构建独立的原子气凝胶宏观产品。对于后者,在原子水平上(通过氧原子桥接原子生长)组装和构建三维原子网络上层结构具有重要意义,但也具有挑战性。简而言之,对单个原子的探索是无止境的,一切皆有可能。

图3 AMMs的设计建议  

论文详细信息

Li Zesheng et.al Atomic Aerogel Materials (or single atom aerogels): an Interesting New Paradigm in Materials Science and Catalysis Science, Adv. Mater. 2023
DOI: 10.1002/adma.202211221
https://doi.org/10.1002/adma.202211221
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