武汉大学化学与分子科学学院物理化学研究所付磊

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Small Methods：原子尺度材料用于新兴催化

在这个能源需求加剧的时代，开发经济、环保和可持续的能源迫在眉睫。催化剂对于可再生能源的存储和转化起到了至关重要的作用，优异的催化剂能够促进一系列相关化学反应快速高效的进行。随着催化剂的不断发展，研究人员制备出了一类原子尺度的材料，达到了催化剂的尺寸极限。这类原子尺度催化剂新颖的结构特征赋予其突出的催化性能，引发了催化领域极大的研究热潮。对这类原

子尺度催化剂而言，随着厚度的减薄，暴露于表面的原子比例显著增加，催化剂的原子利用率近乎100%；此外，随着维度的改变，电子结构也发生了巨大的变化，这使得原子尺度催化剂在各种催化体系中表现出独特的催化行为和优异的催化性能，具有非常高的催化应用价值。近日，武汉大学付磊教授研究团队（先进纳米材料实验室）发表了综述文章”Atomic Scale Materials for Emerging Robust Catalysis”，针对原子尺度催化剂这一新兴的研究领域，总结了原子尺度催化剂的结构特征及其在不同催化应用中的研究进展，并对其面临的机遇和挑战进行了展望。

他们从原子尺度材料的结构特征入手，阐述了其作为催化剂的显著优势。大的比表面积和丰富的低配位表面原子提供了大量的催化活性位点，原子级厚度能使得实现原子利用率的最大化，由此极大提高催化剂的催化效率。此外，超短的电荷转移路径有助于加速反应动力学，促进有效的界面电荷转移，选择性地暴露特定晶面甚至能实现良好的催化选择性。这些优异而独特的性质为原子尺度催化剂的高催化性能提供了极大的保障。

原子尺度催化剂的兴起为催化领域提供了广阔的发展空间，他们从水分解反应、氧还原反应、醇/甲酸氧化反应、二氧化碳还原反应、水煤气转化反应、费托反应和三碘化还原反应等典型的催化体系出发，系统阐释了原子尺度催化剂在其中的应用。他们系统介绍了原子尺度催化剂的制备方法，并结合结构分析和理论计算，阐明了其相较于传统催化剂的优势。

尽管原子尺度催化剂在各种催化应用中已经取得了相当大的研究进展，但仍然存在着一些机遇和挑战。目前还未实现对原子尺度催化剂精确的结构控制、大规模的制备和稳定均匀的分散，某些复杂催化体系的催化机制也尚不明晰。因此，面对未来的工业化应用需求，我们需要建立批量制备结构高度可控的原子尺度催化剂的方法，并防止其发生聚集、毒化和失活。此外，还需要通过先进的表征技术结合理论计算来更深入地了解这类催化剂的构效关系以及在各类催化反应过程中的催化机制，从而对催化剂的合理设计提供指导。

该综述系统阐述了原子尺度催化剂的设计和在各类新兴催化体系中的应用，这为推动其在催化领域的基础研究与实际应用提供了一定的参考价值。相关成果发表于Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201800181)。