楼雄文&张华彬Nature Synthesis评论：3D打印单原子催化剂

前 言

由于最大化的原子效率和提高的固有催化活性，单原子催化剂（SACs）被广泛的研究。目前，制备SACs的传统合成策略主要基于金属物种在载体或载体前体上的预吸附，以及热化学处理或还原过程。通常涉及复杂和高成本的湿化学合成程序、复杂的宿主材料制备以及锚定位点的复杂生成和操作。因此，亟需开发简单、低成本且通用的合成方法来构建定义明确的SACs。

近日，澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授等人在Nature Synthesis上发表了题为“A general approach to 3D-printed single atom catalysts”的文章。作者开发了一种3D打印策略，以高产率制备SACs。该策略适用于各种合成参数，包括过渡金属原子、金属负载、配位环境和材料的空间几何结构。这种3D打印技术能够制造具有所需几何形状的SACs，并为SACs的可扩展生产提供了可能性。

详见：重磅！乔世璋Nature Synthesis！单原子制备规模化！

成果展示

图1. SACs的3D打印和表征

基于此，新加坡南洋理工大学楼雄文教授和阿卜杜拉国王科技大学张华彬教授联合在上Nature Synthesis上发表了题为“3D printing of single-atom catalysts”的评论文章！

该策略利用天然聚合物（明胶、明胶甲基丙烯酰（GelMA）等）作为油墨，成本低且易获得，因此该3D打印方法经济实惠且简单。厘米级的3D前驱体通过3D打印直接自动构建，然后冷冻干燥去除残留水分。接着，冷冻干燥的样品被热裂解，以得到明胶或GelMA88衍生碳负载的3D打印SACs。

SEM显示，通过3D打印技术生成的材料的结构，在热解过程后被很好的保留。通过HAADF-STEM表征，可直接观察到孤立的反应中心，证明了成功地制备了SACs。

本研究通过调整过渡金属原子类型、负载量、配位环境等参数，都可在对金属物种的原子弥散变化最小的情况下进行控制。通过改变油墨中相应的金属（Co、Ni）乙酰丙酮前驱体的浓度，分离反应中心的金属负载含量由3.9%提高到20.8%。

此外，作者还开发了一种后合成处理，可以改变金属中心的配位环境。通过改变打印参数，还可控制3D打印前体的孔尺寸、3D打印材料的图案和制备样品的尺寸。

其中，3D打印的Fe-SAC催化硝酸盐还原反应时，表现出显著增加的氨产量。SACs的最终研究目标是：确定其与传统颗粒基催化剂相比的优势；实现催化剂的规模化生产；实现其在各种研究和工业应用中的应用。

然而，该技术目前还不适用于具有不同载体的SACs的合成，如半导体和沸石，因此还需要进行更多的工作。SACs的大规模制备可能产生连锁反应，使有价值的燃料和化学品能够以非常理想的方式可持续生产。但是，还需要进一步发展不同纳米材料的标准化工艺参数和可编程合成方法。

审核编辑 ：李倩