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2023-01-10 12:19:18
2023-02-22
“單原子氣凝膠”——材料及催化領(lǐng)域的新概念！
圖1 本綜述的框架示意圖
氣凝膠是指由基本的“納米單元”(如納米顆粒、納米片、納米線等)構(gòu)建而成的超輕三維多孔材料(包括宏觀泡沫狀氣凝膠和介觀粉狀氣凝膠)。金屬單原子材料是指金屬原子以原子分散的狀態(tài)分布在特定載體上(金屬原子與之間存在配位化學(xué)鍵)的功能材料。單原子與氣凝膠的結(jié)合可以產(chǎn)生高度創(chuàng)新的“原子納米系統(tǒng)”。為此，作者在這篇綜述中提出了“原子氣凝膠材料(AAMs)(或單原子氣凝膠(SAAs))”的新概念來說明這種獨(dú)特的“原子納米體系”，其中AAMs包括兩個(gè)方面的基本含義(具體見圖2):(1)金屬單原子官能化宏觀氣凝膠(即“載體級AAMs”或“載體級SAAs”)和(2)金屬單原子自組裝介觀氣凝膠(即“原子級AAMs”或“原子級SAAs”)。
(1) “載體級AAMs”（金屬單原子功能化宏觀氣凝膠(即氣凝膠負(fù)載單原子材料)）: 通常氣凝膠(包括碳基氣凝膠和金屬氣凝膠)是金屬單原子的功能載體，其中金屬單原子是具有高活性的催化(或非催化)組分(在少數(shù)情況下，載體也可以是活性組分)。這種AAMs的孔隙結(jié)構(gòu)是基于幾十納米到幾十微米的“載體納米單元”和相關(guān)的介孔或大孔結(jié)構(gòu)組裝而成的。因此，這種AAMs就是所謂的“載體級AAMs” (見圖2左)。
(2) “原子級AAMs”（金屬單原子自組裝介觀氣凝膠(即真正的單原子氣凝膠)）: 一般情況下，金屬原子組裝成單原子氣凝膠高度依賴于金屬和非金屬配位結(jié)構(gòu)，配位數(shù)較低(如小于4)，大多數(shù)金屬位點(diǎn)處于不飽和配位的高活性狀態(tài)。這種AAMs的孔隙結(jié)構(gòu)是一種基于亞納米(或小于2納米)微孔的三維原子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由非金屬隔離的“金屬單原子單元”構(gòu)建而成。因此，這種AAMs就是所謂的“原子級AAMs” (見圖2右)。
圖2 AMMs的基本類型
原子級AAMs，即原子缺陷或氧橋單原子氣凝膠，將在不久的將來成為多相催化或非催化應(yīng)用領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。在此，為了更好地探索原子級氣凝膠的催化活性，促進(jìn)其大規(guī)模應(yīng)用，作者提出以下合理建議: (1)以二維原子級結(jié)構(gòu)單元(獨(dú)立式單原子層催化劑(SALCs)或獨(dú)立式非晶超薄金屬納米片(AUMNs))為基礎(chǔ)，通過自組裝方法設(shè)計(jì)宏觀單原子級AAMs(即宏觀原子氣凝膠材料); (2)以負(fù)載雙原子或三原子為基礎(chǔ)，采用外延氧橋生長法設(shè)計(jì)負(fù)載原子級AAMs (即負(fù)載原子氣凝膠材料)(具體見圖3)。對于前者，其本質(zhì)是自下而上的納米級組裝和構(gòu)建獨(dú)立的原子氣凝膠宏觀產(chǎn)品。對于后者，在原子水平上(通過氧原子橋接原子生長)組裝和構(gòu)建三維原子網(wǎng)絡(luò)上層結(jié)構(gòu)具有重要意義，但也具有挑戰(zhàn)性。簡而言之，對單個(gè)原子的探索是無止境的，一切皆有可能。
圖3 AMMs的設(shè)計(jì)建議
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