作者：徐治国 发布时间：2011-10-06

　　来源：科学新闻2011年第10期 技术财富

　　相比传统催化剂，纳米催化剂的活性大大增强。但是，当尺度从纳米到单原子变化时，金属的性质还会有什么变化，催化性能会如何？

　　近日，发表在《自然—化学》（Nature chemistry）杂志上的研究成果解开了这一谜团。来自中科院大连化物所张涛研究员及其研究团队在多年研究高分散催化剂的基础上，通过与该所刘景月教授、清华大学李隽教授合作，利用氧化铁与铂原子之间的强相互作用，以氧化铁为载体成功制备出首例具有实用意义的“单原子”铂催化剂，该催化剂的催化活性是传统的纳米催化剂的2～3倍。

　　“单原子”诞生

　　当粒径从纳米到亚纳米甚至到单原子变化时，金属的性质还会有什么变化？单原子的催化性质如何，成为催化领域关注的焦点。而此前，由于没有获得过单原子分散的实用催化剂，对于这一问题仍然没有明确的答案。

　　而张涛及其研究团队第一次制备出了完全原子分散的实用化负载型金属催化剂，并从实验和理论上证明、解释了其具有极高的催化活性，进而明确提出了“单原子催化”概念，无疑对这一问题给出了明确的答案。

　　“这是科学家首次提出并证明了‘单原子催化’的概念。在该催化剂上，所有的铂都呈单原子分散状态，无任何亚纳米或纳米聚集体存在。”张涛说，“坦白讲，在鉴定单原子结构之前，我们其实也并不知道该催化剂就一定是单原子催化剂。”

　　从最初的催化剂设计、反复实验到最后的结构解析，整个课题组前后花费了大约三年时间，经历了很多次的失败才获得成功的。过去由于一些技术手段的限制，特别是能够明确识别单原子的超高分辨电子显微镜是近几年才开发成功的新仪器，“因此过去的高分散催化剂、特别是一些极低负载量的贵金属催化剂，也可能是单原子催化剂，只是因为技术手段的限制而在当时无法得到证明。”张涛说。

　　美国《化学与工程新闻》杂志与“自然—中国”网站（Nature China）对此成果也分别以“亮点”形式给予了重点报道。 美国西北太平洋国家实验室的Charles H. F. Peden教授在接受美国《化学与工程新闻》记者采访时，给出如此评价：“这是一项非常及时、令人兴奋的研究工作，单个原子是否能够作为多相催化剂中的活性位是催化界曾经思考的问题，该研究给出了明确、响亮的肯定回答。”

　　实际价值

　　除了解决诸多理论问题，并带动催化基础科学的发展之外，“单原子催化”对于催化剂的实际应用也具有重要意义。

　　例如铂金催化剂是用途最为广泛的贵金属催化剂。全球每年高达50%的铂产量都用于汽车尾气净化系统的三效转化器。燃料电池电极催化剂、石油化工中的催化重整选择加氢、以及各种精细化学品的合成都大量依赖于高效的负载型铂、钯等贵金属催化剂。但是贵金属的资源稀缺性决定了其价格昂贵，同时贵金属独特的物理化学性质又决定了其在多种催化反应中的不可替代性。因此，如何提高贵金属的原子利用效率一直是催化剂制备科学的核心问题之一。从19世纪初期安全矿灯上的铂丝，到后来的铂黑（超细铂粉末）、海绵状铂，再到目前广泛采用的高比表面载体负载铂催化剂，人类走的是一条高分散的道路。

　　“道理非常简单，由于催化反应总是在催化剂表面发生，而对于相同质量的物质，被分散得越细小时，可以暴露的表面原子越多，表面积总和越大，因而制备高分散贵金属催化剂自然成了科学家提高贵金属利用效率的首选方案。”张涛说。

　　张涛介绍，由于这种催化剂的制备原料氧化铁、氯铂酸很容易得到，能够方便地实现“单原子催化剂”的工业化生产。“铂金催化剂是用途最广泛的贵金属催化剂，全球每年高达50%的铂产量都用于汽车尾气催化净化系统。燃料电池、石油化工、航天航空、精细化学品的生产，也大量依靠铂、钯等贵金属。”他说，“这是催化科学从纳米催化走向单原子催化的一个实例，这种方法既可以提高生产效率，又可降低成本。”

　　应用前景

　　张涛介绍说，单原子催化剂是用工业上容易实现的方法，即共沉淀的方法制备的。理论上讲，“我们的单原子催化剂是易于实现工业化生产的。但是我们目前的研究还处于实验室阶段，重点放在从基础研究角度理解单原子特殊的催化性质，以及拓展其他的单原子催化体系。今后将逐步开始考虑把单原子催化剂应用于一些重要的催化反应。”

　　“目前只是证明在一些特定领域，对一些特定反应，单原子催化剂的性能更高更强，现在还不能笼统地说单原子催化剂的性能更高更强。”张涛并不避讳，单原子催化的研究才刚刚起步，现在就预言单原子催化剂取代传统催化剂为时过早。但是可以肯定的是，不管是从理论上理解催化反应本质还是工业上的潜在应用，单原子催化剂都会是未来催化研究的一个重要方向，完全有可能在某些特定领域取代传统催化剂。

　　自张涛的研究成果发表后，一些企业已经与大连化物所联系，“考虑单原子催化的工业应用，但是目前仍处于商谈之中，还没有达成最终协议，所以还不能透露相关信息。我们将加快研究步伐，希望短期内在实验室基础研究和工业应用两个方面都有大的进展。”张涛说。■

　　以下是该媒体报道地址：http://www.science-weekly.cn/skhtmlnews/2011/10/1522.html