單原子催化劑，這種讓金屬原子“單打獨斗”的催化材料，因能100%利用金屬原子、催化活性強，被稱為“催化界的精兵”。但它們有個“致命弱點”——金屬原子太活潑，容易“抱團”成顆粒，失去單原子的優(yōu)勢。近日，我國南京工業(yè)大學團隊找到了一種“關住”鋯原子的新方法：利用納米級的“小房間”（納米限域環(huán)境），成功制備出高穩(wěn)定性的鋯單原子催化劑，其催化酯化反應的產率比傳統(tǒng)方法高出2倍多。

單原子催化劑的“痛點”：原子太活潑，容易“抱團”
單原子催化劑的核心是讓金屬原子以單個形式分散在載體上。但金屬原子就像一群好動的孩子，若沒有“約束”，很容易聚集成團，變成普通的金屬顆粒，催化效率大幅下降。傳統(tǒng)制備方法要么需要高溫高壓，要么步驟復雜，難以高效“鎖住”單原子。

納米“小房間”：給鋯原子造個“單間”
團隊盯上了一種叫SBA-15的介孔二氧化硅材料。這種材料有規(guī)則的納米級孔道，像一塊“納米海綿”。有趣的是，在未去除模板劑（一種輔助形成孔道的物質）時，模板劑和二氧化硅壁之間會形成納米級的“小房間”（納米限域環(huán)境）。團隊將鋯前驅體（含鋯的化合物）通過研磨塞進這些“小房間”，再一燒——模板劑被除掉，鋯原子被牢牢“釘”在二氧化硅壁上，形成單原子結構。

實驗驗證：催化產率從19.8%跳到63.3%
為測試效果，團隊選了一個常見的酯化反應——醋酸和苯甲醇反應生成苯乙酸芐酯（一種有茉莉花香味的香料）。結果顯示，用納米限域環(huán)境制備的鋯單原子催化劑（Zr?@TOS），產率高達63.3%；而用傳統(tǒng)方法（直接在無模板劑的二氧化硅上負載鋯）得到的催化劑（Zr@TFS），產率僅19.8%。更厲害的是，重復使用5次后，Zr?@TOS的催化性能幾乎沒下降，鋯原子也沒“抱團”。

為什么這么強？“小房間”+“錨點”雙保險
秘密藏在兩個關鍵點：
一是納米“小房間”的約束。就像把好動的孩子關進獨立小房間，鋯前驅體被限制在納米空間里，無法自由移動，避免了團聚。
二是二氧化硅壁上的“錨點”——硅羥基（Si-OH）。這些“錨點”像鉤子，能牢牢抓住鋯原子，形成穩(wěn)定的Zr-O-Si結構。實驗和理論計算都證實，鋯原子通過四個氧原子與二氧化硅壁連接，就像被四根“繩子”綁住，穩(wěn)穩(wěn)當當。

未來：給更多金屬原子“建房間”
目前，團隊已驗證這種方法能高效制備鋯單原子催化劑，未來還可能推廣到其他金屬（如鎳、鈷等）。單原子催化劑在化工、能源等領域有廣泛應用，比如合成藥物、生產燃料。這種更簡單、高效的制備方法，或許能讓單原子催化劑從實驗室走向工業(yè)應用更近一步。

從“管不住”到“關得牢”，從“效率低”到“產率高”，納米限域環(huán)境就像給單原子催化劑造了間“安全屋”。或許不久的將來，這種“小房間”里的催化技術，會為化工生產帶來更綠色、高效的新選擇。

來源: 化學工程前沿FCS