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图 碳化聚合物点辅助构筑碳基超高载量金属单原子催化剂合成示意图
在国家自然科学基金项目（批准号：52122308、21905253、51973200、52202050）等资助下，郑州大学化学学院/平原实验室卢思宇教授、常江伟副研究员等人与美国加利福尼亚大学洛杉矶分校段镶锋教授合作，解决了高温热解致金属单原子团聚的难题，提出了“碳化聚合物点（CPDs）辅助逆转奥斯特瓦尔德熟化并原位重构超高密度金属单原子位点”的新策略，为制备超高金属载量及高热稳定的单原子催化剂（SACs）提供了新思路。相关成果以“金属硫化物介导的原子捕获策略构筑超高金属密度单原子催化剂（Synthesis of ultrahigh-metal-density single-atom catalysts via metal sulfide-mediated atomic trapping）”为题，于2024年7月15日发表在《自然•合成》（Nature Synthesis）杂志上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s44160-024-00607-4。
建设高效可持续的新能源体系，对于保障国家能源安全及实现“碳中和、碳达峰”绿色经济目标，具有重要的战略意义。针对能源转换与存储应用在科学和技术层面的瓶颈难题和可再生能源高效利用技术规模化应用体系的需要，探索开发高性能且稳定的能源材料是核心和关键。随着“单原子催化”概念的提出以及研究尺度（从微/纳米到原子水平）的深入，设计和创制高活性的单原子位点一直是能源催化领域的热点。其中，高密度单原子催化活性位点的构筑，以及如何实现其低成本宏量制备是当下及未来一段时间内 SACs 迈向工业化应用必须解决的难题。
迄今为止，大多数已报道 SACs 的金属负载量普遍较低，造成这种情况的主要原因是高温不可避免导致部分“锚固位点”的解离，缺乏限制的金属原子会重新聚集成颗粒，随后这些小颗粒中的金属原子进一步迁移、扩散并被较大的金属颗粒捕获，即“奥斯特瓦尔德熟化”。因此，在高温热解或热催化过程中破坏金属纳米颗粒中的金属—金属键诱发金属原子逃逸，原位构筑金属位点—载体间强配位作用以操纵金属原子定向迁移并“竞争性锚定”于载体，进而稳定并形成新的单原子位点，对于打破这一瓶颈问题具有重要的意义。
碳化聚合物点（CPDs）是采用小分子或者聚合物片段，经交联缩聚及芳构化过程（如水热、溶剂热或微波等）制备的碳基纳米基元，具有低毒、生物相容性好、结构可设计性强和表面易修饰等优点，在光电材料、催化、能源转化与存储等领域表现出越来越重要的应用价值。针对金属原子热团聚难题，该研究团队基于前期研究基础，创新性提出“CPDs辅助逆转金属颗粒奥斯特瓦尔德熟化进而原位重构超高密度单原子催化位点”的新思路，利用CPDs骨架中氧官能团解离产生活泼缺陷位的特性，原位触发高效的氮掺杂并诱导金属硫化物纳米颗粒分解，进而实现“逆奥斯特瓦尔德熟化”。同时，CPDs骨架中丰富的氮锚定位点能够原位竞争性捕获/锚定硫化物分解过程中逃逸的金属原子，并在金属原子和锚固位点之间建立强共价相互作用以抑制其重烧结聚集，从而实现了高密度金属单原子位点的定向且可控构筑。基于该策略，经800 oC高温热解分别制备了23种金属载量大于10 wt%、17种金属载量大于20 wt%和6种金属载量大于30 wt%的SACs，以及负载量高达18.1 wt%的20元高熵SACs，所构筑的复合材料的热稳定性可达950 oC。该工作对于指导金属单原子位点的精确构筑及推动单原子催化迈向工业化应用，具有重要的科学意义和应用价值。