单原子催化剂在类芬顿水处理领域的研究进展

单原子催化剂(SACs)以其独特的结构和特性,特别是在最大限度地利用原子和提高内在催化活性方面受到了广泛的关注。近年来,基于SACs的高级氧化技术(AOPs)已成为水污染控制研究中的一个新兴领域,广泛应用于去除各种难降解有机污染物。本文分析了SACs的合成及表征方法,着重介绍了SACs在不同类芬顿催化反应中的性能及其作用机理。此外,还介绍了将SACs固定在膜状或柱状过滤器上连续流的测试,以探究SACs在类芬顿反应中实际应用的潜力。最后,对合理的SACs设计、类芬顿反应机理探索等方向进行了展望,旨在提高SACs应用于类芬顿反应在实际废水处理中的应用潜力。

单原子催化剂在过硫酸盐氧化体系中的研究进展

近年来,大量研究表明过硫酸盐高级氧化技术(PS-AOPs)是处理污水中难生物降解有机污染物的有效策略.寻求高活性、高稳定性、低成本的催化剂是实现过硫酸盐高效活化降解新污染物的关键.相比于传统金属纳米颗粒催化剂,单原子催化剂(SAC)在PS-AOPs中表现出超快的反应速率、较低的金属负载量以及强金属与载体相互作用等优点.更重要的是,SAC具有原子级分布的活性中心,以便于从原子甚至电子层次下研究非均相催化体系中的构效关系和多种反应机制.然而,目前SAC在PS-AOPs中的研究尚处于起步阶段.本文重点综述了SAC活化过硫酸盐产生氧化活性物质的驱动机制,对结构调控与催化性能的相关性进行了系统总结,深入了解结构-性能关系,指出了精确调整催化剂活性位点的策略,并对相关研究领域未来的机遇和挑战提出了展望.

WO_(3)-TiO_(2)负载的Pt单原子催化剂光热协同催化丙烷和丙烯氧化

单原子催化剂(single-atom catalyst,SAC)可以最大化金属原子利用率,并具有独特的电子特性,已经在各种催化反应中进行了广泛的探索。然而,与纳米催化剂相比,贵金属SAC在烃类氧化反应中通常被认为是不活泼的。在本文中,证明了WO_(3)-TiO_(2)负载的Pt SAC(Pt1/WO_(3)-TiO_(2))在光热协同催化氧化C3H8和C3H6这两种典型的挥发性有机化合物(VOCs)中表现出比相应的纳米催化剂(PtNP/WO_(3)-TiO_(2))高得多的活性。研究发现,Pt1/WO_(3)-TiO_(2)和PtNP/WO_(3)-TiO_(2)都可以通过克服氧中毒来提高光热协同催化C3H8氧化的活性。值得注意的是,Pt1/WO_(3)-TiO_(2)的反应速率达到了3792μmol∙gPt−1∙s^(−1),这对C3H8氧化是一个新的突破。更有趣的是,由于C3H6在PtNP/WO_(3)-TiO_(2)上的强吸附导致催化剂C3H6中毒,因此PtNP/WO_(3)-TiO_(2)上的光热协同催化C3H6氧化无法进行。但是,得益于C3H6和Pt单原子之间适中的相互作用,Pt1/WO_(3)-TiO_(2)上的C3H6中毒在光照下可以被克服。因此,Pt1/WO_(3)-TiO_(2)在光热协同催化C3H6氧化中显示出更高的活性。这项工作表明,SAC的优势不仅在于节约贵金属,还在于可以根据其独特的电子特性发现新的催化反应。

石墨炭负载单原子铁催化剂非均相还原NO的微观作用机理:DFT研究

基于密度泛函理论和经典过渡态理论,探究了石墨炭负载单原子Fe催化剂(Fe/G)异相还原NO的微观机理,并对催化剂失活原因进行分析。结果表明,基于E-R机理,NO还原反应依次经历了N_(2)O形成与释放、N_(2)形成与释放四个阶段。而基于L-H机理,NO还原反应主要经历了N_(2)形成与释放两个阶段。在E-R机理作用下,NO分子以N,O-down结构吸附在Fe原子上发生的NO还原反应的控速步骤能垒值仅为15.5 kJ/mol,小于其余路径控速步骤能垒值。由能垒角度分析,Fe原子上残留的活性氧被还原的能垒值高于NO还原生成N_(2)的能垒值。NO分解后残留在Fe原子表面的活性氧抑制了NO的吸附与还原,Fe原子活性位的缺失导致催化剂的失活,单原子Fe的存在促进了NO还原反应的进行。由动力学角度分析,随着反应温度的升高,NO还原速率较活性氧转移速率提升更为显著。

炭载单原子催化剂在电化学反应中的应用进展

本文全面综述了用于电化学反应的炭载单原子催化剂(SAC)的最新进展。首先简要介绍了炭载单原子催化剂的发展和优势,然后详细总结了各种炭载单原子催化剂的合成策略,包括气相传输、高温热解和湿化学方法。随后,回顾了炭载SAC的先进表征技术,总结了炭载SAC在氧气还原反应、二氧化碳还原反应、氮气还原反应、氢气进化反应和氧气进化反应等不同领域的应用。特别强调了提高炭载SACs电催化性能的改性策略。最后,讨论了利用炭载SAC进行电化学反应的前景和挑战。

贵金属单原子催化剂用于VOCs催化氧化研究进展

作为形成细颗粒和臭氧的主要前体物,挥发性有机物(VOCs)对大气环境的影响尤为突出,贵金属负载型催化剂应用于VOCs的催化氧化能耗较低而被广泛应用,传统纳米催化剂存在原子利用率低、产物选择性差、成本高的问题,但单原子催化剂在此过程中展现出巨大的潜力。该文阐述了近10年贵金属负载型单原子催化剂的合成策略、结构特点,重点关注制备方法的不同带来了贵金属与载体间的结合方式的差别以及造成它们在VOCs的催化氧化活性的明显差异,同时从理论计算的角度剖析催化性能与金属/载体间相互作用关系,并分析其催化机理,针对贵金属单原子催化剂在高效去除VOCs中存在的问题进行总结并提出未来的发展方向。

单原子催化剂催化生物质衍生物选择性加氢的研究进展

生物质是以碳源形式存在的可再生资源,其平台化合物及衍生物的升级利用可得到能源和精细化工产品。多相催化剂在生物质资源的转化中起到重要作用,其中不乏纳米催化剂和单原子催化剂的参与。由于木质纤维素的含氧量较高,不能直接作为工业应用原料,因此需要还原反应来降低其含氧量。加氢反应是降低木质纤维素衍生分子中O C比、提高H C比的重要方法。本研究将综合讨论单原子催化剂在呋喃类、α,β-不饱和醛酮和木质素类平台化合物选择性加氢中的应用。

双层单原子催化剂用于促进高活性和选择性电催化硝酸盐还原制氨

高效、高选择性的单原子催化剂(SACs)在电催化硝酸盐还原制氨过程中具有重要作用。然而,由于中间体、金属活性中心和配位环境之间复杂的竞争性电子相互作用,仍然面临挑战。本研究采用密度泛函理论(DFT)计算,对27种SACs以及双层SACs(BSACs)进行了系统研究,通过轴向d-d轨道杂化提高了从SACs到BSACs的电催化硝酸盐还原反应(NO_(3)RR)的活性和选择性。考虑到可能的O端、N端、NO端和NO二聚体途径,计算结果显示,在单层SACs中,Ti-Pc和V-Pc分别具有优异的极限电位(U_(L)),分别为-0.24和-0.48V。形成能、溶解势以及从头算分子动力学结果表明,在反应条件下,这些催化剂非常稳定。在这些单层TM-Pc中,它们的d带能级和占据数受到d_(xz)/d^(yz)和p_(z)轨道杂化的影响。其轴向d_(z^(2))轨道的可用性通过形成d_(z^(2))-d_(z^(2))相互作用来进一步调整d带和反应性。在此基础上,以Ti-Pc和V-Pc为底物,通过形成轴向d-d轨道杂化来构建BSACs,为调节NO_(3)RR催化性能提供了一种独特的新途径。重要的是,我们发现d带中心(εd)、d_(xz)+d_(yz)轨道的占据数和U_(L)之间存在二维火山关系,用于描述它们的NO_(3)RR催化性能。最佳的BSACs应该同时具备适当的ε_(d)和d_(xz)+d_(yz)占用数。Ti-Mo和Ti-Ta被确定为出色的NO_(3)RR催化剂,其U_(L)均降低至-0.13 V。而d_(z^(2))-d_(z^(2))轨道之间的杂化则增强了双层金属之间的电荷转移和结构稳定性。缺乏相邻的金属位点将导致生成NO_(2)、NO和N_(2)的能垒较高,从而抑制副产物生成。最终,本研究揭示了在SACs和BSACs上对硝酸盐还原进行合理优化的方法,可为改进电催化剂的设计提供指导。

烯烃氢甲酰化反应单原子催化剂性能调控策略进展

烯烃氢甲酰化反应是在均相或非均相催化剂的作用下实现烯烃的高值化利用。非均相催化剂具有易于分离、回收的优势,但设计同时具有高活性、高区域选择性、高稳定性面临挑战。因此开发高效的氢甲酰化多相催化剂具有重要的理论和实践意义。单原子催化剂(SAC)作为均相与非均相催化的桥梁,融合了均相催化剂活性中心原子微观环境可调的特性和固相催化剂的技术优势,可通过调控中心原子的微观环境提高氢甲酰化反应效率。以载体、含膦配体改性和异质原子辅助3个方面为着眼点,综述了单原子催化剂微观结构对烯烃氢甲酰化反应的活性、区域选择性和稳定性的调控策略,最后总结目前SAC工业化应用面临的机遇与挑战,并对其发展方向进行展望。

MOF基单原子催化剂用于CO_(2)还原的研究进展

CO_(2)资源化利用是实现“双碳”目标的重要途径之一。金属有机框架(metal-organic frameworks,MOF)材料具有高孔隙率、可调节的功能、丰富的活性位点和潜在锚定位点等优点;单原子催化剂(single-atom catalysts,SAC)有独特的电子结构和最大化金属利用率的优点。结合二者的优势,MOF基单原子催化剂在光/电催化CO_(2)还原反应中表现出良好的应用前景。系统地总结了MOF基单原子催化剂在光/电催化CO_(2)还原中的最新研究进展,主要分为2个部分:纯MOF固定的SAC和MOF衍生的SAC,分别探讨了各种制备策略和原理及在光/电催化CO_(2)还原中展现的独特优势,并从理化特性上分析了材料性能优势的成因。最后对以MOF基材料为光/电催化CO_(2)还原催化剂的研究进行了总结和展望。

电子结构对单原子催化剂电催化性能影响的研究进展

单原子催化剂由于其独特的电子结构和最高的原子利用率,在各种催化体系中具有广阔的应用前景。调节SACs催化剂的电子结构是其进一步发展的关键,可以通过调节电子性质来优化催化剂的吸附能和键能,从而提高催化活性和稳定性。本文通过SACs的电子结构及其相关知识,对SACs在催化中的作用有了全面的了解。由于电催化是一种减少碳排放和利用可再生能源的技术,并且作为解决日益严重的空气污染问题的方法而受到越来越多的关注,因此高性能催化剂的设计至关重要。为此,讨论了各种电子性质,如能带结构、轨道杂化和相关自旋态等。本文讨论了SACs的电子结构对其电化学催化性能的影响,并探讨了其与SACs活性和稳定性的关系。了解催化过程中电子结构的基本原理,可以为今后各种催化反应中催化剂的设计提供合理的指导。

第一性原理研究单原子氮碳催化剂电催化还原二氧化碳

为了显著提升CO_(2)还原反应(CO_(2)RR)中催化剂的性能,本文利用第一性原理计算方法,建立单层氮掺杂石墨烯负载的过渡金属单原子催化剂(TM-C_(2)N,TM=Cu、Pd、Ag、Fe、Ni、Sn),用于CO_(2)还原为CO和HCOOH。计算结果表明,TM-C_(2)N催化剂具有高结构稳定性、高效吸附和活化CO_(2)能力,以及良好的抑制析氢反应(HER)性能。吉布斯自由能计算结果表明,CO_(2)RR在TM-C_(2)N上以不同的反应路径生成HCOOH和CO。极限电位证明,Fe-C_(2)N和Cu-C_(2)N催化性能最好。这些计算结果不仅为C_(2)N基催化剂的实验调控提供了理论依据,而且对开发其他过渡金属高效电催化剂CO_(2)RR具有指导意义。

氧化物负载单原子电解水催化剂的载体效应

单原子催化剂(SACs)由于其原子利用率高、活性中心明确、比活性高和稳定性强等优点,在催化电解水领域具有独特的优势.然而,材料中的金属-载体相互作用对催化过程具有重大影响.首先,本文明确了单原子催化剂的特点并研究了其电子结构和构效关系方面独特优势.其次综述了氧化物载体在稳定金属单原子、分散活性物种、调节中心电子结构、吸附和活化反应物等方面的重要作用;并详细分析了载体如何通过结构缺陷、表面基团、空间限域和晶格作用等实现对金属原子的负载和稳定.然后,通过实例对比了单原子在不同氧化物载体上配位结合方式,以及在析氢、析氧和全水解反应中的性能差异.最后,对利用载体与单原子相互作用调节催化剂性能的机遇和挑战、关键问题和可能的解决方案进行了展望.

基于DFT和机器学习的Pt单原子合金电催化剂的理性设计:应用于NO至NH_(3)的转化

电催化NO还原反应(NORR)合成氨,作为一项新兴技术,旨在减少NO污染并生产高附加值产品.因此,寻找合适的NORR电催化剂至关重要.单原子合金催化剂(SAACs)因其独特的催化性能和明确的成键环境,是研究催化剂结构-活性关系的理想对象.本文依托密度泛函理论(DFT)计算和机器学习(ML)算法,深入研究了Pt掺杂的SAACs在NORR合成氨反应中的催化机制,并提出了SAACs的理性设计原则.通过ML算法,成功识别了与催化活性密切相关的原子和电子特征,并定量分析了这些特征之间的协同作用.DFT计算和ML算法的联合运用不仅加深了对复杂NORR机理的理解,还为理性设计具有特定活性中心的高效SAACs提供了一种切实可行的策略.本文研究了13种Pt掺杂的SAACs(Pt/TM,TM=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ru,Rh和Pd)和14种纯过渡金属(包括Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ru,Rh,Pd和Pt)在NORR合成氨反应中的催化机制.首先,考察了Pt/TM的热力学稳定性和在电化学条件下的稳定性.结果表明,Pt/TMSAACs展现出了良好的热力学稳定性.在电化学条件下,当外加电压等于极限电势时,单质Zn在pH>6时稳定存在,而其他纯金属和Pt/TM SAACs则在整个pH范围内均能保持稳定.随后,探讨了这些催化剂对NO的吸附及活化能力.DFT计算发现,NO能够在所有催化剂表面稳定吸附,并且吸附后N-O键长与NO得电子数之间存在显著的线性相关性,这两者可共同作为NO活化的重要指标.接着,考察了NORR的反应机理,并筛选出7种具有较高过电势(UL>-0.25V)的催化剂,包括Cu,Zn,Rh,Pt以及Pt/Cu,Pt/Zn,Pt/RhSAACs.考虑到H2和N2副产物对氨选择性的影响,排除了Zn和Pt/Zn作为潜在的优秀催化剂.在此基础上,在排除贵金属(Rh,Pt和Pt/Rh)基底的SAACs后,筛选出Cu和Pt/Cu作为NORR合成氨反应的高效催化剂.最后,采用随机森林(RF)和基于压缩感知原理的数据驱动(SISSO)方法分析了SAACs的内在特性与NORR性能之间的关系.RF模型所预测的极限电势与DFT计算结果高度吻合,模型的决定系数(R^(2))高达0.97,均方根误差(RMSE)仅为0.12 V.此外,利用SISSO算法建立了SAACs的关键特征(如基底金属的第一电离能、NO得电子数和基底金属的d轨道电子数)与在最佳反应路径上的极限电势之间的紧密联系.这一研究不仅加深了对NORR合成氨机制的理解,还为高效催化剂的理性设计提供了有力的理论支持.综上所述,本文基于DFT计算和ML算法,系统研究了Pt/TMSAACs在电催化还原NO合成氨过程中的催化性能.通过筛选,Cu和Pt/Cu被确定为优秀的NORR合成氨催化剂.ML算法所预测的极限电势与DFT计算结果高度一致.本文的研究结果为NORR电催化合成氨单原子合金催化剂的理性设计和高效筛选提供了参考.

氮化碳基单原子催化剂的研究进展

单原子催化剂是催化领域一种新型的催化材料,以高反应选择性、高原子利用率和高催化性能,引起了人们的广泛关注。石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))由于其独特的光学性质、低成本和易获性,经常被作为光催化剂的基底材料,在解决环境污染和能源危机方面显示出巨大的潜力。综述了近年来氮化碳基单原子催化剂的合成及改性方法,进而介绍了氮化碳基单原子催化剂的研究进展,重点介绍了负载不同金属(Pt、Cu、Co、Ag)的氮化碳基单原子催化剂的发展状况,以及氮化碳基单原子催化剂在光催化产氢、CO_(2)还原、污染物降解、有机合成等领域的应用情况。

基于单原子铁纳米催化剂的纳米催化疗法对 口腔鳞癌细胞Cal27的作用

目的:制备单原子铁纳米催化剂(single-atom Fe nanocatalysts,SAF NCs),探讨其体外治疗口腔鳞癌的疗效,为口腔鳞癌治疗提供新策略。方法:用隔离与热解结合方法制备SAF NCs,利用透射电镜和球差电镜观察微观形态,X射线衍射图和元素分布能谱分析其结构和成分,溶液层面采用TMB显色实验和电子自旋共振试验检测催化性能,最后通过CCK-8和流式细胞技术、共聚焦显微镜观察体外处理口腔鳞癌Cal27细胞后的活性变化。采用GraphPad Prism 9软件包对数据进行统计学分析。结果:成功合成和表征SAF NCs,在溶液层面显示出优异的催化特性。细胞实验中,SAF NCs显示出良好的生物相容性,在模拟肿瘤微环境特性的条件下,进行体外催化治疗,Cal27细胞活性低至32.08%。结论:初步实验证明,SAF NCs具有良好的生物催化性能,在体外可有效抑制口腔鳞癌细胞增殖,为口腔鳞癌治疗提供了新策略。

揭示配体拓扑结构对Fe-N_(x)-C单原子催化剂表面氧还原反应中间体吸附的影响

过渡金属单原子氮掺杂碳催化剂(TM-N-C SAC)因其更高的金属原子效率而被认为是提升氧还原反应(ORR)效率的重要途径.TM-N-C SAC反应中心的活性与配体结构密切相关,构建基于配体结构的ORR活性描述符是高效设计高催化活性单原子催化剂的关键.然而目前大多配体描述符基于催化剂的综合表观性质,如OH吸附能和金属中心d带中心等,其获取仍需进行额外计算,不利于通过配体结构快速推测反应活性;而目前基于配体结构拓扑参数,如金属中心原子及其配位原子属性、数量等设计的描述符存在对催化活性的描述较差或仅适用于特定配体等问题.解决该难题的关键在于理清OH与TM-N-C SAC成键的微观机制.本文全面考察了ORR中间体OH在21种具有不同氮原子数量、位置以及不同配体尺寸的卟啉型FeNxC SAC表面上的吸附机制.对有限尺寸卟啉型Fe-Nx-C(x=0-4)SAC模型上OH吸附的密度泛函理论计算结果表明,OH吸附能与SAC的配位氮原子的数量并不线性相关,且受氮原子排布方式的影响.利用能量分解分析(EDA)将OH与SAC的成键作用分解,重点讨论氮的掺入对静电作用、泡利排斥作用和轨道作用的影响.针对静电作用,Bader分析与电荷密度差值分析结果表明,氮的掺入一方面将电荷向配位原子上聚集,且配位原子上电荷数随氮原子数量增加而线性增加;另一方面大幅增强铁-配体键(Fe-L)的离子性,减少铁与配体间的电子密度,提高铁中心电子能量,并从而改变静电作用能量.对于泡利排斥作用,其影响因素与静电作用类似,因而作用强度与静电作用强度呈较好线性关系.对于轨道作用,结合扩展过渡态-化学价的自然轨道(ETS-NOCV)和电子定域化(LOL-π)等综合分析发现,氮原子的掺入破坏了配体的离域π键,从而影响OH与配体的轨道在成键时的相互作用.此外,对配体大小影响的研究表明,配体边缘原子仅当出现在包含配位原子的环上时才对OH与SAC成键有较大影响,这充分证明了OH吸附这一过程的局域性.综上,本文提供了Fe-N-C型SAC上完整的OH吸附键形成机制,强调了配位原子及其近邻原子对吸附活性的影响,为构建基于SAC拓扑特征的ORR活性描述符,实现SAC配体的快速筛选提供参考.

碳基单原子催化剂的合成策略及电催化应用进展

【目的】单原子催化剂(single atom catalysts,SACs)由于超高电催化效率而备受关注,特别是以碳为基础的碳基SACs,由于结构可调、孔道排列有序、原子利用率高、导电性好、孔隙率高、比表面积大和稳定性好等特点,被认为是一类极具发展潜力的新型电催化材料。【研究现状】综述近年来碳基SACs的合成工艺,包括热解法、湿化学法、电化学还原法、原位合成法和球磨法;这些方法具有不同的优缺点,可根据不同反应条件和需求选择合适的合成方法;总结碳基SACs在氧还原反应、析氧反应、析氢反应、氮还原反应、二氧化碳还原反应中的应用。【展望】碳基SACs的合成工艺和性能有望得到进一步优化和提升;碳基SACs将在能源催化及环保等领域发挥更大的作用。

Fe单原子催化剂活化过一硫酸盐去除水中有机物

采用聚吡咯水凝胶法制备了高Fe负载量(w)的Fe-N/P-C单原子催化剂,运用HAADF-STEM对其进行了表征,研究了其活化过一硫酸盐(PMS)降解双酚A(BPA)和二级出水中溶解性有机物(DOM)的性能。实验结果表明:对于BPA溶液,Fe负载量为2.32%、4.72%和6.74%时,BPA降解的反应速率常数分别为0.65,0.92,0.83 min^(-1),反应60 min后,TOC去除率分别为73%、80%和78%,BPA去除率分别为98%、100%和100%;对于加入BPA的二级出水,Fe负载量为2.32%和4.72%时,BPA降解的反应速率常数分别为0.43 min^(-1)和0.76 min^(-1),反应60 min后,TOC去除率分别为49%和56%,BPA去除率分别为80%和100%,DOM荧光强度分别增强32%和降低46%;Fe-N/P-C活化PMS体系中,超氧自由基和单线态氧为主要活性氧物种,Fe为活化PMS的活性中心。

基于限阈空间制备Mn单原子催化剂及其电催化析氧性能

采用一种简单的策略,以未去除模板剂的原粉介孔二氧化硅KIT-6(TOK)为载体,利用模板剂和二氧化硅壁之间的限阈空间来制备单原子催化剂(SACs)。通过固相研磨将含Mn前驱体引入TOK的固有限阈空间后,Mn SACs可在热处理过程中迅速生成。密度泛函理论计算和实验数据表明,Mn原子被载体上的Si—OH基团所锚定,并以Mn—O—Si的形式存在。将得到的Mn SACs应用于电催化析氧反应,实验结果显示,与在没有限阈空间载体中合成的对比样品相比,Mn SACs表现出更出色的催化性能。