基于MOF材料的单原子/双原子和团簇金属催化剂在能源领域中的研究进展学术资讯

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原标题：徐强院士团队EES综述：基于MOF材料的单原子/双原子和团簇金属催化剂在能源领域中的研究进展

近年来，单原子/双原子和团簇金属催化剂凭借其较高的原子利用效率、与众不同的物理化学特性、优异的催化性能以及良好的可回收利用性，已经成为了目前能源催化领域研究的热点。最近，特别是在基于MOF材料发展起来的原子级金属催化剂方面得到了极大的发展。金属有机框架材料(MOF) 是一类具有超高的比表面积、丰富的可调控孔道和可修饰的表面的新型多孔材料。目前，基于MOF材料及其衍生物的合成和应用方面研究得到了爆炸式发展，被广泛应用于电池、催化、储氢、气体分离等领域。基于MOF材料制备的原子级金属催化剂，可以很好地实现金属原子级别的均匀掺杂等诸多优势。尽管如此，目前研究对于基于MOF材料在原子级别的催化活性位点的精确调控依然面临极大挑战，尤其是在利用MOF材料合成和应用超高金属利用效率的原子级金属催化剂。

有鉴于此，日本产业技术综合研究所(AIST)-京都大学/扬州大学徐强教授综述了基于MOF材料在单原子/双原子和团簇催化剂中的关键作用和有效的合成策略、该研究研究方向所面临的主要挑战以及未来的发展方向和大规模应用前景。

文章要点如下：1）基于MOF材料所制备的单原子/双原子和团簇金属催化剂具备着原子级金属均匀掺杂等诸多优点，起到了将传统异相和均相催化剂桥联的作用以实现高选择性、高催化活性以及耐用性。按照目前所合成物种分类，可以将这类材料大致分为基于纯MOF和基于MOF衍生物的单原子/双原子和团簇催化剂。
2）对于基于纯MOF固定的单/双原子和团簇催化剂，原子金属位点可以稳定在MOF的金属节点、孔隙空间或有机配体中。与其他载体相比，MOF固定的单原子/双原子和团簇催化剂具有以下优点：一是三维有序多孔性是MOF固定的单/双原子和团簇催化剂的主要特征，可以大大促进反应过程中的传质过程，从而提高催化效率；二是MOF具有着丰富的化学可调节性，可以非常容易地精确控制所固定化的单原子/双原子和团簇金属催化位点的结构，从而使得所制备的原子级金属催化剂具有丰富的结构多样性；三是在MOF中嵌入原子级催化活性位点可以实现在不会损害其持久稳定性和可重复性的基础上使该非均相催化剂的活性大大提高；四是通过同时引入不止一种类型的金属基位点，可以有效地在MOF中实现不同化学成分之间的协同作用，从而提高催化性能。五是一般而言，使用MOF所制备的催化剂通常可以实现金属含量的高负载。
3）通过热或化学转化，可以得到MOF衍生物所负载的原子级金属催化剂。与上面所提及的基于纯MOF固定的催化剂相比，MOF衍生物负载的催化剂表现出优异的电导率，具有超高的热稳定性和化学稳定性，这使得此类催化剂在与能源有关的电催化方面得到极大的应用。除上述优点外，与其他方法合成的原子级金属催化剂相比，基于MOF衍生物负载的原子级金属催化剂还具有以下优势：一是可以通过调节适当的MOF作为前驱体的制备以及碳化条件从而实现衍生物三维孔结构以及金属位点类型；二是原本MOF具备着金属节点和有序通道的不饱和配位点等特点，这为MOF衍生物负载的原子级金属催化剂的实际设计提供了有利的条件。因此，在工业催化中，MOF衍生物负载的单原子/双原子和团簇金属催化剂具备着极大的应用前景。
这一成果近期发表在Energy Environ. Sci.上，文章的第一作者是侯春朝博士。

原文：From metal-organic frameworks to single/dual-atom and cluster metal catalysts for energy applicationsChun-Chao Hou, Hao-Fan Wang, Caixia Li, Qiang XuEnergy Environ. Sci., 2020, DOI: 10.1039/C9EE04040D

作者简介

侯春朝博士, 于2017中科院理化技术研究所获得博士学位, 曾获得北京市优秀毕业生, 中科院优秀毕业生以及各种奖学金。随后赴日本加入徐强教授课题组学习。已在JACS, Angew, Advanced Materials, Energy & Environmental Science, Advanced Energy Materials 等杂志发表文章多篇，目前主要从事基于MOF材料的可控合成及其在电化学催化方面的应用研究。

徐强教授，日本产业技术综合研究所(AIST)-京都大学化学能源材料创新实验室（ChEM-OIL）主任、扬州大学特聘教授、京都大学兼职教授、香港理工大学特别荣誉教授、日本工程院(EAJ)、欧洲科学院（EurASc）, 印度国家科学院（NASI）院士。主要研究领域是纳米结构材料的化学与应用（尤其是催化和能源等方面）。迄今发表论文400余篇，论文被引大于33000次，h-index >96 (Web of Science）。于2012年获得汤森路透研究前沿奖（Thomson Reuters Research Front Award），2019年获洪堡奖，被Thomson Reuters / Clarivate Analytics评为化学领域及工程/材料科学领域的高被引科学家（2014-2019年）。担任多家期刊的编辑/编委及顾问委员，包括：EnergyChem（Elsevier，主编），Coordination Chemistry Reviews（Elsevier，副主编），Chem（Cell Press），Matter（Cell Press），Chemistry-an Asian Journal（Wiley）等。

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