開發(fā)兼具優(yōu)異催化性能與高效金屬利用效率的單原子催化劑（SAC）是當(dāng)前催化領(lǐng)域的研究熱點。為實現(xiàn)高效催化，關(guān)鍵在于精準(zhǔn)調(diào)控SAC活性位點的配位微環(huán)境并確保其充分暴露于反應(yīng)物體系，這一目標(biāo)的實現(xiàn)仍面臨挑戰(zhàn)。本工作提出了誘導(dǎo)交聯(lián)-配位組裝技術(shù)制備共軛配位聚合物氣凝膠材料的新策略，其充分發(fā)揮了共軛配位聚合物材料和氣凝膠材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。一方面，精準(zhǔn)設(shè)計金屬原子的種類和共軛有機(jī)配體的官能團(tuán)/共軛結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)共軛配位聚合物氣凝膠催化劑中金屬單原子活性位點配位結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控；另一方面，共軛配位聚合物氣凝膠催化劑具有多級孔結(jié)構(gòu)，可充分暴露金屬單原子活性位點，并利用孔富集效應(yīng)來提高金屬單原子活性位點表面的局部反應(yīng)物濃度，從而實現(xiàn)催化反應(yīng)動力學(xué)的提升。該策略具有良好的普適性，可成功合成以鎳、銅，鋅等金屬單原子為活性中心的共軛配位聚合物氣凝膠，有望為開發(fā)高性能的金屬單原子催化劑提供有益借鑒。
背景介紹
面對日益嚴(yán)峻的全球能源和環(huán)境挑戰(zhàn)，推進(jìn)可再生清潔能源的利用迫在眉睫。電催化技術(shù)用于高效轉(zhuǎn)換/儲存可再生清潔能源被認(rèn)為是最有前景的途徑之一。開發(fā)低成本、高性能的電催化劑對加速催化反應(yīng)動力學(xué)具有重要意義。金屬單原子催化劑，因其具有金屬原子利用率高、電子結(jié)構(gòu)和活性位點可精準(zhǔn)設(shè)計等優(yōu)點，在很多催化反應(yīng)中展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，具有巨大的應(yīng)用潛力。其中，作為一類金屬單原子催化劑，共軛配位聚合物的分子結(jié)構(gòu)可通過調(diào)節(jié)金屬和共軛配體種類進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計，以靈活改變其金屬活性位點的電子結(jié)構(gòu)及其對催化反應(yīng)中間體的吸附/脫附行為，進(jìn)而對催化反應(yīng)動力學(xué)產(chǎn)生重要影響。然而，共軛配位聚合物材料容易發(fā)生團(tuán)聚，會嚴(yán)重降低其金屬活性位點的可及性，進(jìn)而降低其催化性能。
本文亮點
1. 本工作提出了誘導(dǎo)交聯(lián)-配位組裝技術(shù)制備共軛配位聚合物氣凝膠材料的新策略，其充分發(fā)揮了共軛配位聚合物材料和氣凝膠材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。
2. 使用高前驅(qū)體濃度策略可以很容易地制備具有高密度單原子金屬（13-15 wt%）（如Ni、Cu、Zn等）的CCPA催化劑，該策略可以同時允許CCP顆粒生長和多孔氣凝膠形成。
3. 將Ni-CCPA應(yīng)用于堿性O(shè)ER，與非氣凝膠Ni-CCP相比，Ni-CCPA表現(xiàn)出更優(yōu)異的堿性O(shè)ER性能和更快的堿性O(shè)ER動力學(xué)。
4. 本文結(jié)合一系列實驗表征與理論模擬結(jié)果證明，與Ni-CCP相比，Ni-CCPA具有多級孔結(jié)構(gòu)，可充分暴露金屬單原子活性位點，并利用孔富集效應(yīng)來提高金屬單原子活性位點表面的局部反應(yīng)物濃度，從而實現(xiàn)催化反應(yīng)動力學(xué)的提升。
論文DOI：10.1002/adma.202420565
中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會 中華人民共和國工業(yè)和信息化部 中華人民共和國應(yīng)急管理部 中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部 中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部 中華人民共和國財政部 中華人民共和國商務(wù)部 中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會
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