樓雄文&張華彬Nature Synthesis評論：3D打印單原子催化劑

前 言

由于最大化的原子效率和提高的固有催化活性，單原子催化劑（SACs）被廣泛的研究。目前，制備SACs的傳統(tǒng)合成策略主要基于金屬物種在載體或載體前體上的預吸附，以及熱化學處理或還原過程。通常涉及復雜和高成本的濕化學合成程序、復雜的宿主材料制備以及錨定位點的復雜生成和操作。因此，亟需開發(fā)簡單、低成本且通用的合成方法來構建定義明確的SACs。

近日，澳大利亞阿德萊德大學喬世璋教授等人在Nature Synthesis上發(fā)表了題為“A general approach to 3D-printed single atom catalysts”的文章。作者開發(fā)了一種3D打印策略，以高產(chǎn)率制備SACs。該策略適用于各種合成參數(shù)，包括過渡金屬原子、金屬負載、配位環(huán)境和材料的空間幾何結(jié)構。這種3D打印技術能夠制造具有所需幾何形狀的SACs，并為SACs的可擴展生產(chǎn)提供了可能性。

詳見：重磅！喬世璋Nature Synthesis！單原子制備規(guī)?；?！

成果展示

圖1. SACs的3D打印和表征

基于此，新加坡南洋理工大學樓雄文教授和阿卜杜拉國王科技大學張華彬教授聯(lián)合在上Nature Synthesis上發(fā)表了題為“3D printing of single-atom catalysts”的評論文章！

該策略利用天然聚合物（明膠、明膠甲基丙烯酰（GelMA）等）作為油墨，成本低且易獲得，因此該3D打印方法經(jīng)濟實惠且簡單。厘米級的3D前驅(qū)體通過3D打印直接自動構建，然后冷凍干燥去除殘留水分。接著，冷凍干燥的樣品被熱裂解，以得到明膠或GelMA88衍生碳負載的3D打印SACs。

SEM顯示，通過3D打印技術生成的材料的結(jié)構，在熱解過程后被很好的保留。通過HAADF-STEM表征，可直接觀察到孤立的反應中心，證明了成功地制備了SACs。

本研究通過調(diào)整過渡金屬原子類型、負載量、配位環(huán)境等參數(shù)，都可在對金屬物種的原子彌散變化最小的情況下進行控制。通過改變油墨中相應的金屬（Co、Ni）乙酰丙酮前驅(qū)體的濃度，分離反應中心的金屬負載含量由3.9%提高到20.8%。

此外，作者還開發(fā)了一種后合成處理，可以改變金屬中心的配位環(huán)境。通過改變打印參數(shù)，還可控制3D打印前體的孔尺寸、3D打印材料的圖案和制備樣品的尺寸。

其中，3D打印的Fe-SAC催化硝酸鹽還原反應時，表現(xiàn)出顯著增加的氨產(chǎn)量。SACs的最終研究目標是：確定其與傳統(tǒng)顆?；呋瘎┫啾鹊膬?yōu)勢；實現(xiàn)催化劑的規(guī)?；a(chǎn)；實現(xiàn)其在各種研究和工業(yè)應用中的應用。

然而，該技術目前還不適用于具有不同載體的SACs的合成，如半導體和沸石，因此還需要進行更多的工作。SACs的大規(guī)模制備可能產(chǎn)生連鎖反應，使有價值的燃料和化學品能夠以非常理想的方式可持續(xù)生產(chǎn)。但是，還需要進一步發(fā)展不同納米材料的標準化工藝參數(shù)和可編程合成方法。

審核編輯 ：李倩