力学所等提出制造高密度单原子催化剂新方法

催化是化学工业的核心之一,深刻影响现代社会与科技的发展。近年来,单原子催化引起了学界和业界的关注。在制造高密度单原子催化剂时,单原子易聚集成团簇,导致制造效率和稳定性偏低。因此,如何抑制团簇的形成是制造高密度单原子催化剂的主要挑战之一。

近期,中国科学院力学研究所与德国马克斯-普朗克高分子研究所、浙江大学、江苏大学、爱沙尼亚塔尔图大学合作,提出了通过气压控制金属扩散来制造超高密度单原子催化剂的新方法。这一成果为制造高密度单原子催化剂提供了新思路,并为未来挑战物质科学极限、实现原子级精准制造奠定了基础。

单原子催化是更精细地控制化学反应的技术。这一技术以单个金属原子为发生催化的活性位点,提升金属原子的利用效率和催化反应活性。研究发现,降低气压抑制了金属原子的团簇,使单原子负载量几乎是在大气压下获得的三倍。研究通过分子动力学和计算流体力学模拟,揭示了气压变化调控单金属原子和团簇形成的机理:通过减小气压,增大气体分子的平均自由程,可降低金属团簇概率,提高金属-配体结合概率,形成最大化单金属原子。进一步,研究人员通过电催化氧还原反应验证了该方法的稳定性,并在单个铜原子上实现了乌尔曼型碳氧偶联反应,拓展了单原子催化的应用场景。

相关研究成果以Single-Atom Catalysts through Pressure-Controlled Metal Diffusion为题,发表在《美国化学会志》(JACS)上。研究工作得到中国科学院相关项目、中国力学学会青年人才蓄水池项目的支持。

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通过气压控制金属扩散制造单原子催化剂