原子分散过渡金属（TM）催化剂已被证明（1）可以最大限度地利用原子，特别是对高成本贵金属以及（2）与散装或纳米金属相比，具有非常规催化活性。这些令人兴奋的特点激发了单原子催化剂通用合成方法的发展。然而，它们的金属原子负载，特别是稀有金属，通常限制在几个原子百分比（at%）或几个重量百分比（wt%）以内，这明显低于商业基准催化剂（例如，20%的Ir/C或Pt/C），导致总体催化活性有限。因此，开发一项通用的合成策略，以大幅提高单原子催化剂中的金属原子密度，使金属负载接近甚至超过其商业基准，将在这一领域发挥关键作用，但这仍然是一个开放的挑战。
莱斯大学汪淏田、电子科大夏川和加拿大萨斯喀彻温大学Yongfeng Hu在国际顶刊Nature Chemistry上发表单原子催化剂制备的最新成果，实现了负载重量高达40%的单原子催化剂的通用合成方法。作者先使用Ir作为代表性的金属中心，它被限制在N-掺杂碳中，该碳最广泛用于稳定TM单原子，以证明这个合成策略是有效的。
作者从表面功能化石墨烯量子点（GQD）出发，基于以下动机：（1）与“自上而下”方法中的碳支撑相比，GQD足够小，为大量孤立金属原子提供许多表面锚定点。（2）另一方面，与“自下而上”方法中的有机前体相比，GQD作为中间碳支持在热解过程中没有经历重大的结构演变，在TM原子之间提供了稳定和较大的间距以避免聚集。具体而言，当与胺基团（GQDs-NH2）功能化并与TM盐混合溶液时，由于金属阳离子和胺基之间的紧密螯合/复合效应，GQD可以在其表面稳定均匀地扩散和限制TM阳离子（图1c）。这种强大的相互作用有助于量子点在Ir3+/GQDs-NH2混合物的冷冻干燥过程中相互连接并自我组装成分层大块结构。接着在富氨气氛下进行热解，可以获得稠密的Ir单原子催化剂，原子百分比为3.84%，质量百分比为41.6%。
作者还获得了其他具有类似高载荷的稀有（Pt）或非贵重TM单原子（Ni）催化剂，这表明开发的策略具有普遍性。
图1. 使用不同策略的单原子催化剂的合成过程示意图
表1. 不同的单原子催化剂的金属含量的对比
图2. 铱含量约为41 wt%和3.84 at.%的原子分散铱催化剂的合成与表征
图3. 铱含量为~ 41%的原子分散铱催化剂的表征
图4. GQD辅助策略合成原子分散的高金属含量TM催化剂的通用性
原文链接：
Xia, C., Qiu, Y., Xia, Y. et al. General synthesis of single-atom catalysts with high metal loading using graphene quantum dots. Nat. Chem. (2021).
https://doi.org/10.1038/s41557-021-00734-x
原文刊载于【催化开天地】公众号
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