通過電化學還原實現(xiàn)在溫和條件下將CO₂高效轉(zhuǎn)化為具有一定經(jīng)濟價值的化學產(chǎn)品，并且同時實現(xiàn)潔凈電能的存儲，表現(xiàn)出極具潛力的應(yīng)用前景。因此，開發(fā)一種高效的CO₂電還原催化劑是目前亟待解決的問題。單原子催化是近幾年催化和材料研究領(lǐng)域非常熱門的方向。由于催化劑表面的活性組分高度分散，可以達到非常高的金屬利用率。同時活性中心與相鄰配位原子發(fā)生相互作用，使得活性中心金屬電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因而在一些催化反應(yīng)中，如CO氧化反應(yīng)、加氫反應(yīng)、氧還原反應(yīng)等，能夠表現(xiàn)出非常優(yōu)異活性和選擇性?，F(xiàn)在想要通過化學合成實現(xiàn)單原子催化劑的大規(guī)模生產(chǎn)仍然存在諸多困難，比如合成工藝復雜、樣品對合成條件要求苛刻等。因此，發(fā)展一種簡單實用、可以大規(guī)模制備具有熱/化學穩(wěn)定性的單原子催化劑的合成方法是目前催化領(lǐng)域中亟待解決的問題。 針對上述問題，中科大吳宇恩課題組、南京師范大學李亞飛課題組和牛津大學段昊宏課題組發(fā)展了一種簡便易行合成方法，通過固相熱擴散策略實現(xiàn)了塊體金屬直接轉(zhuǎn)化為具有分級結(jié)構(gòu)、自支撐結(jié)構(gòu)的單原子催化劑，該方法易于實現(xiàn)工業(yè)級增量制備，有廣闊的工業(yè)化前景。 

　　該研究組發(fā)現(xiàn)將三聚氰胺均勻噴涂在鎳片表面，在氬氣氛圍下控制加熱溫度，使得三聚氰胺轉(zhuǎn)變?yōu)榈獡诫s的碳層。伴隨溫度的升高，鎳不斷從鎳金屬片中遷移出來并被氮摻雜的碳層捕獲。由于氮摻雜的碳層中存在部分鎳顆粒，在1273K高溫下，氮摻雜的碳層表面形成大量含有孤立鎳位點的氮摻雜碳管，進而形成了這種碳管/碳層/碳管的分級結(jié)構(gòu)。降至室溫后，類紙狀的催化劑薄膜無需任何處理便可以自動從鎳片表面脫離，并且對鎳片進行簡單的拋光處理后即可重復使用。掃描電鏡表明樣品具有很好的碳管/碳層/碳管的分級結(jié)構(gòu)，透射電鏡和球差原子顯微鏡表明表面氮摻雜碳管中含有大量孤立的鎳單原子位點。催化劑薄膜中部的氮摻雜碳層的存在賦予了催化劑一定的剛性和柔性，可以承受一定力度的彎折，表面的碳管進一步增大了催化劑的表面積并且賦予了特殊的表面浸潤性。該研究組通過控制鎳片的大小即可以在實驗室成功制備出各種形狀乃至50平方厘米的催化劑薄膜，該方法通過擴大鎳片面積即可很容易地實現(xiàn)大規(guī)模制備。由于部分鎳顆粒被多層石墨烯很好的包裹住，酸溶處理并不能完全除去其中的鎳顆粒。但是，通過簡單的酸溶處理即可除去表面裸露的鎳顆粒，處理后的類紙狀的催化劑薄膜可以作為自支撐電極直接被用于CO₂電還原催化中。 

　　利用北京同步輻射裝置（BSRF）1W1B-XAFS實驗站獲得的EXAFS圖譜表明酸溶處理后樣品中大部分的鎳顆粒被除去，并進一步說明樣品中存在大量的Ni-N鍵，進而驗證了催化劑中存在大量的孤立鎳單原子位點。同時NEXAFS圖譜表明樣品在酸溶處理后，樣品中的碳氮結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯變化。結(jié)合CV曲線可以進一步說明，該催化劑在酸溶處理后，剩余的鎳顆粒被多層石墨烯很好包裹因而很難參與到電化學反應(yīng)中來。這種具有分級結(jié)構(gòu)的催化劑薄膜不僅僅具有一定的剛性和柔性，使得其可以被直接用做自支撐電極。同時，表面豐富的碳管在增大催化劑表面積的同時也賦予了催化劑薄膜超親水和超疏氣的特性。文中催化劑薄膜的水接觸角接近0°，而氣泡的接觸角則高達148.3±2.6°，表現(xiàn)出優(yōu)異的超親水和超疏氣特性。相比于傳統(tǒng)方法把催化劑分散在碳紙上，文中具有分級結(jié)構(gòu)的催化劑薄膜產(chǎn)生的CO氣泡可以更迅速的從電極表面脫離，因而極大提高了催化劑在大電流工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性，也使得CO₂電還原條件更接近于實際工業(yè)化條件。超親水和超疏氣的特性加快了反應(yīng)傳質(zhì)，相對于傳統(tǒng)膠黏劑（如Nafion、PVDF）輔助下催化劑分散在導電基底（如碳紙、玻碳電極）上電流得到了進一步的提高。并且催化劑合成過程中直接得到電極，無需再分散催化劑，同時也無需膠黏劑和導電基底支持，極大程度上節(jié)約成本、減少了工藝流程，催化劑薄膜的易增量制備也使得該催化劑更具有工業(yè)化的潛力。如果有興趣想進一步了解更多關(guān)于合成和表征的細節(jié)，可以去下載文章對的補充材料和視頻。這種通過固相熱擴散策略的方法具有一定的普適性，作者通過相同的方法成功制備出具有分級結(jié)構(gòu)的鈷單原子催化劑薄膜。 

　　該工作首次報道了利用固相熱擴散策略從塊體金屬直接制備單原子催化劑，并可以實現(xiàn)催化劑的大規(guī)模制備，近期發(fā)表在Joule上。該方法為其他高效單原子催化劑的設(shè)計制備和放大應(yīng)用提供了新的思路。 

　　發(fā)表文章： 

　　Changming Zhao, Yu Wang, Zhijun Li, Wenxing Chen, Qian Xu, Dongsheng He, Desheng Xi, Qinghua Zhang, Tongwei Yuan, Yunteng Qu, Jian Yang, Fangyao Zhou, Zhengkun Yang, Xiaoqian Wang, Jing Wang, Jun Luo, Yafei Li,* Haohong Duan,* Yuen Wu,* and Yadong Li. Solid-Diffusion Synthesis of Single-Atom Catalysts Directly from Bulk Metal for Efficient CO2 Reduction.2019, 3, 584-594.