Ultrafast Synthetic Strategies under Extreme Heating Conditions toward Single-Atom Catalysts

极端加热条件下的超快合成策略用于单原子催化剂

论文亮点

• 超快热冲击方法可以有效防止单原子在制备和催化操作过程中的迁移和聚集，实现高金属负载量的单原子分散。
• 这些合成策略（如焦耳加热、微波加热等）具有快速加热和瞬时淬火的特点，适用于可扩展生产，为单原子催化剂的工业化应用提供了新途径。

研究背景

• 单原子催化剂（SACs）具有最高的原子利用效率、不饱和配位金属中心和强金属-载体相互作用，是催化科学的新前沿。
• 由于高表面能，单原子在制备和高温操作过程中容易迁移和聚集成纳米颗粒，导致烧结问题。
• 传统合成方法如湿化学法和高温热解存在处理时间长、设备复杂、可扩展性差等局限性，难以实现单原子的稳定分散和高负载量。

研究方法

本研究总结了多种超快加热策略用于合成单原子催化剂，主要包括：

• 焦耳加热（Joule Heating）：通过电流通过导电基底产生内部热量，利用焦耳定律（Q = I²Rt）快速加热至高温（可达2000 K），并在毫秒级时间内完成淬火。该方法通过反复开关高温冲击波，使纳米颗粒转变为稳定分散的单原子，适用于碳、CeO₂、C₃N₄等多种基底。
• 微波加热（Microwave Heating）：利用微波场中极性材料的偶极旋转和带电粒子的涡流损耗产生热量，实现快速加热和自淬火。还原氧化石墨烯（rGO）因其丰富的官能团和适中导电性，是理想的微波吸收剂和基底。
• 其他方法：包括固相激光辐照、火焰辅助法和电弧放电法。激光辐照通过光热效应实现局部超快加热和淬火；火焰辅助法在碳纳米管阵列上制备氧配位单原子催化剂；电弧放电法可达到超高温（4000 °C），形成强金属-载体相互作用。

这些方法的共同特点是超快加热速率（10⁵ K/s）、超高温瞬时过程和瞬时淬火，有效抑制原子扩散和聚集，同时促进金属原子与载体之间键的形成，实现单原子的稳定分散。

主要结论

• 超快加热策略（如焦耳加热、微波加热）能够在极端加热条件下一步合成单原子催化剂，避免传统多步骤程序中的不可控因素，大大缩短制备时间。
• 这些方法具有快速点火、快速加热和瞬时淬火的特点，防止单原子迁移和聚集，实现高金属负载量，并保证产物的均匀性和稳定性。
• 尽管面临温度测量和控制、金属负载量提高以及结构-性能关系建立等挑战，超快加热策略在单原子催化剂的可控制备和规模化生产方面具有广阔前景。

Figure 1: 超快热解合成SACs的主要方法概述

Figure 2: 超快加热策略发展的时间线

Figure 3: 焦耳加热将纳米颗粒转变为单原子的过程

Figure 4: 不同方法制备的Pt₁/CeO₂ SACs的结构和催化性能

Figure 5: 焦耳加热制备Ni SACs的机制和性能

Figure 6: 自支撑CoNG-JH电极的制备和性能

Figure 7: 微波加热合成Co-NG-MW及其表征

Figure 8: 微波冲击和 prolonged heating 制备的Co-N-C催化剂对比

Figure 9: 微波处理实现氮空位诱导的配位重构

Figure 10: 固相激光加热制备Pt SACs

Figure 11: 火焰辅助和电弧放电法制备SACs