目前单原子催化剂多为薄膜或粉末形式，其小体积、致密和易碎的结构极大地限制了其广泛的应用。整体式的单原子催化剂因具有更好的传质效率，更容易的分离和再生，处于单原子催化剂的研究前沿。然而，目前所报道的单原子整体式催化剂(SAMCs)主要以坚硬的颗粒状块体形式存在，在面对高通量气体介质时容易断裂甚至粉碎，导致阻力增大、使用寿命缩短等不良后果。因此，开发柔性、轻便、稳定、多孔的SAMCs，不仅可以在三维空间中隔离活性组分，还可以提高催化系统的可管理性(如可回收性、可压缩性和可弯曲性)。遗憾的是，目前还没有成功实现SAMCs兼具优异的催化性能和稳定的机械性能，并在频繁和长期的应力变化下满足实际应用的要求。

近日，东华大学丁彬教授、刘一涛教授等报道了一种基于单原子负载的氧化物陶瓷纳米纤维的分层三维组装合成柔性单原子整体催化剂(SAMC)的策略。最新研究成果“大规模合成柔性单原子整体催化剂实现高效、持久的低温CO氧化”（Scalable Synthesis of Flexible Single-Atom Monolithic Catalysts for High-Efficiency, Durable CO Oxidation at Low Temperature）发表在国际期刊《ACS Nano》上。研究在连续和大规模生产陶瓷纳米纤维的过程中，通过Kirkendall效应促使离子原位迁移，而氧化物陶瓷纳米纤维可以自发地作为单原子的理想载体，从而获得高产量和大负载量的单原子催化剂。

图1 PtSA/a-Al2O3 SAMC的合成和结构设计。

作为概念验证，单原子铂被锚定在非晶氧化铝(Pt_SA/a-Al₂O₃)纳米纤维上，并将其作为SAMC的构建基元。通过SEM，HRTEM，HAADF-STEM，EPR，XPS，XAFS等表征手段证实了单原子铂的稳定存在和高负载量。这是因为单原子Pt和a-Al2O3之间存在金属-载体强相互作用(SMSI)，特别是a-Al₂O₃)具有无序的原子结构，可以提供更多的氧空位和路易斯酸位点，它们被认为是催化氧化反应的关键中间体。

图2  Pt_SA/a-Al₂O₃ SAMC的结构表征。

制备大尺寸、高产率、稳定的单原子整体催化剂是未来高效工业催化的一个重要方向。通过进一步将这些纳米纤维三维组装成多孔、柔性的Pt_SA/a-Al₂O₃) SAMCs，使其在面对高通量气体介质时具有足够的渗透和耐振荡能力，从而具有优异的催化效率和耐久性。最终，Pt_SA/a-Al₂O₃)SAMCs在低温（～170 °C）下表现出100%的CO氧化能力，在高频（10 Hz）振荡条件下和25-300 °C的温度范围内具有优异的结构稳定性。

图3  Pt_SA/a-Al₂O₃ SAMC中CO的氧化及力学性能分析。

作者建立了一种可大规模且高效的方法来制备由单原子负载氧化陶瓷纳米纤维进行三维组装的SAMCs。该方法打破了化学浸渍或物理冲击只能制备出产率低、负载量小的单原子催化剂的局限。此外，该方法可以结合不同的无机溶胶制备基于各种氧化物陶瓷纳米纤维的SAMCs，如TiO₂、ZrO₂、SiO₂、CeO₂或多组分氧化物陶瓷，并提供了其他贵金属(如Pd、Ru、Au或它们的二聚体)可以锚定在a-Al2O3纳米纤维上的可能性。该工作为大规模生产用于高效工业催化的SAMCs提供了制造思路。

参考文献：

Hualei Liu, Siyu Qiang, Fan Wu, Xiao-Dong Zhu, Xiaoyan Liu, Jianyong Yu, Yi-Tao Liu*, and Bin Ding*. Scalable Synthesis of Flexible Single-Atom Monolithic Catalysts for High-Efficiency, Durable CO Oxidation at Low Temperature. ACS Nano Article ASAP

DOI: 10.1021/acsnano.3c07888

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c07888