碳載單原子催化劑近期在多相催化領域受到關注，因為碳載體獨特的物理化學性質能夠實現單原子的高效負載，并且雜原子的摻雜可以修飾單原子的配位環境，從而調節反應活性。然而最大限度地提高單原子利用率具有挑戰性，因為合成過程中大量單原子被嵌入到碳基底或微孔孔道中，在催化過程中由于傳質限制而失去作用。因此設計合成具有介孔孔道的氮摻雜碳球作為載體是增加活性位點暴露和提高原子利用效率的有效方法。
近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員王光輝帶領的多孔催化材料研究組開發出一種限域熱轉化策略合成了氮摻雜介孔碳球負載的單原子催化劑。此策略首先采用軟模板法合成了以金屬納米簇為核、介孔聚合物為殼的核-殼型介孔聚合物球（M-NCs@NMPS），隨后經限域熱轉化過程將其轉化為氮摻雜介孔碳球負載的單原子催化劑（M1/NMCS）。在核-殼型介孔聚合物球熱解過程中，金屬納米簇在氨氣氛圍下于氮摻雜介孔碳球內部遷移、并激發出金屬原子，隨后被氮摻雜介孔碳球上的缺陷捕獲，形成穩定的單原子。由于金屬的熱轉化過程發生在氮摻雜介孔碳球的內部，因此避免了金屬的損失。從材料合成的角度來看，該合成過程簡單易操作，具有放大生產的潛力，可以制備出具有高孔隙度、高氮含量的Pd和Pt單原子催化劑。所得催化劑中的介孔結構有利于反應傳質和活性位點的暴露，并且豐富的氮物種可以作為錨定位點捕獲和穩定金屬原子。得益于此結構優勢，該催化劑比微孔碳球負載的單原子催化劑表現出對喹啉加氫更優的活性，選擇性可達99%，重復使用五次催化活性無明顯變化。
上述工作發表在Journal of Materials Chemistry A上。研究工作得到國家自然科學基金等項目的資助。
論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta08365a
氮摻雜介孔碳球負載Pd單原子催化劑的制備流程圖以及電鏡表征圖：（b-e）Pd-NCs@NMPS；（f-i）Pd1/NMCS
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