单原子纳米岛(SANIs)：设计原理及最新案例！曾杰、俞汉青、吴宇恩等顶刊成果！
单原子纳米岛(SANIs)：设计原理及最新案例！曾杰、俞汉青、吴宇恩等顶刊成果！
单原子纳米岛（SANIs）催化剂因其独特的设计原理和显著的催化性能，在材料科学领域引起了广泛关注。从"一岛一原子"到"岛海协同"的创新结构，这种新型催化剂不仅提高了催化效率，还保证了长期稳定性。本文将详细介绍SANIs的设计原理，并通过多个最新研究案例，展示其在不同催化应用中的优异表现。
SANIs的结构分类与优势
单原子纳米岛（SANIs）催化剂具有显著的优势，其设计原理独特，并且已有成功案例。广东石化院和广西师大研究团队提出了“单原子纳米岛(SANIs)”的概念来描述多相催化领域中这些新型的“原子-纳米系统”。具体来说，他们将SANIs分为三类: “一岛一原子”、“一岛多原子”和“岛海协同”架构。
图1 三种SANIs结构示意图：(1)“一岛一原子”，(2)“一岛多原子”，(3)“岛海协同”结构（岛上或载体（海）上金属原子的不同颜色表示其配位结构不同或金属元素不同）。
SANIs的设计原理
SANIs催化剂的设计原理基于纳米岛策略。研究人员从空间和能量角度出发，选取合适的纳米岛和载体材料，构建小尺寸、高密度的纳米岛，并准确地将金属原子放置在纳米岛上。纳米岛与金属原子和载体基底之间具有强作用力，类似于双面胶，使得金属原子在一定条件下可以在纳米岛内移动，但跨岛的迁移受到抑制，从而实现原子的动态稳定。
最新研究案例
Nature：纳米岛为单原子催化剂设计开辟新道路
2022年，曾杰等首次提出了一种“纳米岛”策略并制备出稳定的原子级分散金属催化剂。他们利用溶液相静电吸附的合成方法，将铈离子高密度且均匀地附着在氧化硅表面，形成仅2nm的孤岛。然后，通过控制铂前驱体的浓度，利用零电点原理，使铂原子选择性地吸附在带正电的氧化铈纳米岛上。最终，每个纳米岛上平均不超过一个铂原子。在高温下的单原子只会限定在岛内移动，不会跨岛团聚。这种催化剂在催化一氧化碳氧化反应的过程中表现出更高的活性和稳定性，催化速率提高了近百倍。
图2 “一岛一原子”结构的Pt1-CeOx/SiO2 SANIs热催化应用：(A)合成工艺示意图，(B)原子结构表征，(C)热催化CO氧化性能。
Nature Catalysis：CoOx单原子嵌入于Pt纳米岛
2023年，黄昱等提出了一种新型的纳米催化剂设计，将钴氧化物（CoOx）簇嵌入到亚纳米的铂（Pt）纳米颗粒中，形成CoOx@Pt纳米结构。这种设计利用了强金属-氧化物相互作用，显著提高了催化剂的结构和化学耐久性，同时保持了高活性。该催化剂在实际燃料电池测试中展示了优异的性能和耐久性，超过了美国能源部（DOE）设定的技术目标。
图2：(a) 高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像，展示了CoOx@Pt/C纳米催化剂。(b) 测量的粒径分布及平均粒径。(c) STEM-EELS元素映射，红色代表Pt信号，绿色代表Co信号。
EES：纳米岛屿固定铂单原子，高效析氢反应！
2024年，吴宇恩等设计了一系列双重限域系统(如Pt1@PMo12@PC)，其中每个POM簇的四重空位(O4H)特定位点锚定一个Pt原子（纳米岛单原子）。原位实验和理论计算显示，POMs作为氢缓冲链可加速氢溢出。发现多重氢溢出通道(如Pt→Obr→O3H→Mo/W→Oc→PCsub-1-nm)，逐步缓冲氢迁移能垒。POMs引起的Pt电荷分散促进氢迁移。利用双限域策略设计了一系列Pt1@POMs@PC 催化剂，验证了H 缓冲链在促进 H溢流中发挥的作用。
图1 Pt1@POMs@PC的设计策略与热力学验证及结构表征图
Nat. Commun.：纳米岛包裹Co单原子催化剂
2025年，俞汉青等通过设计一种纳米岛封装的单原子钴（Co）催化剂（CoSA/Zn.O-ZnO），成功突破了SACs在活性和稳定性之间的权衡，为Fenton类反应提供了一种高效的催化剂。该催化剂通过“岛-海”协同效应，利用小载体上的ZnO纳米颗粒（“岛”）来限制和稳定Co单原子，而广阔的ZnO基底（“海”）则维持反应系统的中性微环境。这种设计不仅提高了PMS的激活效率，还实现了对污染物的高效降解，具有重要的科学意义和应用价值。
结语
单原子纳米岛催化剂具有高效、稳定的催化性能，其设计原理独特且成功案例显著。随着研究的深入，这种新型催化剂有望在更多领域展现出其独特优势。