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单原子合成新策略！田新龙等CRPS：“等离子体轰炸”让金属盐秒变单原子
海南大学田新龙教授团队开发了一种简单的“等离子体轰炸”策略实现了从金属盐到单原子催化剂的可控制备，并可推广到多种单原子催化剂的合成。文章发表于Cell Reports Physical Science 上，第一作者为饶鹏、吴道雄。

图1. “等离子体轰炸”策略制备单原子催化剂的示意图

要点1：单原子催化剂的可控制备

作者提出了一种通用的“等离子体轰炸”策略实现了从金属盐到单原子催化剂的可控制备。简单的说，采用金属盐为金属原子前驱体，碳化后的ZIF-8为载体，等离子体处理时金属盐被激发成金属原子，并形成金属原子流。与此同时，等离子也在碳载体上原位构造了大量的缺陷位点。当金属原子流移动到载体附近时，被碳载体上的缺陷位点捕获，并进一步被氮物种配位锚定，形成稳定的M-NX结构，从而获得了单原子催化剂。

要点2：单原子催化剂的结构和配位表征

作者以SAC-Fe/NC作为典型案例，首先进行了结构表征分析。通过HRTEM表征发现等离子体轰炸处理后的SAC-Fe/NC催化剂的表面没有明显的金属颗粒。进一步通过AC HAADF-STEM表征和EDX表征，验证Fe单原子均匀的分散在碳载体上，通过ICP-OES表征验证Fe的质量高达8.5 wt. %。

作者进一步通过XAFS等手段表征了SAC-Fe/NC催化剂的原子结构信息。XPS表明，SAC-Fe/NC催化剂中的Fe以Feδ+ (0<δ<3) 形式存在。EXAFS没有发现Fe-Fe键，表明单原子Fe的存在。通过数据拟合证实，所制备的SAC-Fe/NC催化剂中每个Fe原子与四个吡啶N原子配位。

图2. SAC-Fe/NC的物理表征和原子结构表征。

要点3：SAC-Fe/NC催化剂在氧还原反应中的应用

SAC-Fe/NC催化剂表现出优异的催化活性和稳定性，其半波电位高达0.92 V（vs. RHE），在0.9 V（vs. RHE）下的动力学电流密度是Pt/C催化剂的5.64倍。在经过10000圈的ADT测试后，其半波电位几乎没损失。此外，SAC-Fe/NC催化剂同样展现出了优异的锌空气电池性能，所组装的锌空气电池的峰值功率密度达到了263 mW cm-2，比容量高达803 mAh g-1。通过与文献报道的单原子催化剂的性能数据相比，所制备的SAC-Fe/NC催化剂展现出了强大的竞争力。

图3. SAC-Fe/NC催化剂的电化学性能数据。

要点4：催化机理探索

作者对SAC-Fe/NC催化剂的催化机理进行了探索。对比两种Fe-SACs模型，Fe-pd-N4和Fe-po-N4。过渡金属铁阳离子上存在较大的磁矩。发现含氧物种的吸附会诱导过渡金属中出现自旋交叉（AISC）。综合测试高自旋路径、中自旋路径、低自旋路径及吸附诱导自旋交叉路径，认为Fe-pd-N4的ORR活性优于Fe-po-N4，是SAC-Fe/NC催化剂ORR性能的主要贡献者。

图4. DFT计算数据。

总之，这项工作发展了一种“等离子体轰炸”策略，实现了金属盐到单原子催化剂的直接可控制备，为单原子催化剂的规模化制备和工业级应用带来了新的途径。

A plasma bombing strategy to synthesize high-loading single-atom catalysts for oxygen reduction reaction

Peng Rao#, Daoxiong Wu#, Junming Luo, Jing Li, Peilin Deng, Yijun Shen, Xinlong Tian*

Cell Rep. Phys. Sci., 2022, DOI: 10.1016/j.xcrp.2022.100880

（本稿件来自Cell Press）