在化工生產中，催化劑就像“效率加速器”——但傳統催化劑往往只能利用少量金屬原子，大部分金屬以顆粒形式“躺平”。單原子催化劑（SACs）則讓金屬原子“單打獨斗”，理論上能100%利用金屬，但最大的難題是：這些“獨行俠”太活潑，容易聚集成團，失去催化優勢。近日，我國南京工業大學團隊找到一種“鎖原子”的新招：利用納米級的“小房間”（納米限域環境），成功制備出高穩定性的鋯單原子催化劑，其催化酯化反應的產率比傳統方法高出2倍多。

單原子催化劑的“成長煩惱”：原子太“皮”，容易“抱團”
單原子催化劑的魅力在于“原子級分散”——每個金屬原子都是獨立的活性中心，催化效率遠超傳統顆粒催化劑。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，變成普通金屬顆粒，催化性能直線下降。傳統制備方法要么需要高溫高壓、步驟繁瑣，要么無法有效阻止原子團聚，限制了單原子催化劑的大規模應用。

納米“小房間”：給鋯原子造個“專屬單間”
團隊的靈感來自一種叫SBA-15的介孔二氧化硅材料。這種材料有規則的納米級孔道，像一塊“納米海綿”。但更關鍵的是，當SBA-15還保留模板劑（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”（納米限域環境）。團隊將鋯前驅體（含鋯的化合物）通過簡單研磨塞進這些“小房間”，再高溫煅燒——模板劑被燒掉，鋯原子被牢牢“釘”在二氧化硅壁上，形成穩定的單原子結構。

實驗結果：產率從19.8%飆升到63.3%
為驗證效果，團隊選擇了一個典型的酯化反應——醋酸與苯甲醇反應生成苯乙酸芐酯（一種常用于化妝品和食品的茉莉花香味香料）。結果令人驚喜：用納米限域環境制備的鋯單原子催化劑（Zr?@TOS），產率高達63.3%；而用傳統方法（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%。更難得的是，重復使用5次后，Zr?@TOS的催化性能幾乎不變，鋯原子也沒有團聚成顆粒。

秘密武器：“小房間”+“錨點”雙保險
為什么納米限域環境能“鎖住”鋯原子？團隊通過實驗和理論計算發現了兩個關鍵：
一是納米“小房間”的物理約束。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內，無法自由移動，從源頭上避免了團聚。
二是二氧化硅壁上的“錨點”——硅羥基（Si-OH）。這些“錨點”像鉤子，能與鋯原子形成穩定的Zr-O-Si結構，就像用四根“繩子”把鋯原子綁在墻上，確保其分散性和穩定性。

未來：給更多金屬原子“建房子”
目前，團隊已證實這種方法能高效制備鋯單原子催化劑，未來還可能推廣到鎳、鈷等其他金屬。單原子催化劑在藥物合成、燃料生產等領域有廣泛應用，這種更簡單、高效的制備方法，有望推動單原子催化劑從實驗室走向工業應用。

從“管不住”到“鎖得牢”，從“低效”到“高產”，納米限域環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、更高效的新可能。

來源: 化學工程前沿FCSE