单原子催化剂又双叒发Nature 了！

摘要：单原子催化剂（Single-Atom Catalysts, SACs）因其最大限度地利用金属原子、可调控的电子结构和优异的催化选择性，在能源转化、环境修复等领域展现出巨大潜力，长期以来得到Nature等各大顶刊的青睐。本期小丰整理了4篇单原子催化剂近期发表的高

单原子催化剂（Single-Atom Catalysts, SACs）因其最大限度地利用金属原子、可调控的电子结构和优异的催化选择性，在能源转化、环境修复等领域展现出巨大潜力，长期以来得到Nature等各大顶刊的青睐。本期小丰整理了4篇单原子催化剂近期发表的高水平的论文，一起看下吧~

Nature: 曲面单原子 Fe 催化剂创燃料电池性能新纪录

在质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中，开发兼具高活性与耐久性的非铂族金属电催化剂具有很大挑战。2025年8月1日，期刊Nature报道研究人员制备了一种分布在石墨化多层纳米突起内的多个单原子Fe位点的曲面 Fe/N–C 催化剂（CS Fe/N–C），创造了无铂燃料电池催化剂性能新高。

测试结果表明，CS Fe/N-C催化剂在酸性条件下表现出优异的ORR性能（半波电位为0.82 V、起始电位为0.94 V vs. RHE）。在实际H2–air条件下，CS Fe/N–C在 1.0/2.0 bar 下分别实现了0.75/0.78 W cm-2的最大功率密度，优于2D Fe/N–C，并接近同类最佳报道值。在H2–O2条件下，CS Fe/N–C在 1.0/2.0 bar 下分别实现了1.25/1.44 W cm-2的最大功率密度，为迄今为止报道的最好结果之一。此外，耐久性测试显示，CS Fe/N–C在H2–air条件下经过30000次AST循环后功率仅衰减17.5%（2D Fe/N–C为47.0%），且在0.6 V下连续运行303 h仍保持86%初始电流密度。

研究发现，纳米突起的石墨化外碳层不仅能通过静电排斥有效削弱含氧反应中间体的结合强度、打破标度关系，抑制羟基自由基生成，还能保护 Fe 位点抑制 Fenton 反应引起的脱金属化，从而同时实现高活性与高稳定性，突破活性 - 稳定性权衡难题。未来，这种曲面结构调控策略有望推广至更广泛的能源转化催化剂设计，推动低成本、高性能燃料电池及相关能源器件的发展。

文献名称：Acidic oxygen reduction by single-atom Fe catalysts on curved supports

Nature Catalysis：高效/可再生双原子催化剂助力低温烷烃脱氢

烷烃脱氢是制备烯烃等高附加值化学品的关键反应，但传统催化体系通常需≥550°C的高温以打破惰性C–H键，导致副反应（如C–C断裂、积碳）严重，降低选择性与催化剂寿命。2025年4月18日，期刊Nature Catalysis报道研究人员通过制备一种坚固且可再生的Ir1-Cu1双原子催化剂，有望降低正丁烷脱氢的反应温度。

在该项工作种，研究人员首先构建了一种结构坚固且可再生的纳米金刚石@石墨烯负载的Ir111Cu/ND@G）。得益于Cu原子作为促进剂，Ir11双原子催化剂在450°C时的周转频率（TOF）为2.45 s−1，比相应的单原子Ir催化剂（Ir1/ND@G）高出6.3倍，且C4烯烃选择性为98%。与单原子催化剂相比，这种双原子位点在Ir中心具有改变的电子结构，并显著增强了正丁烷和中间体的吸附。更重要的是，C-H键的解离大大容易，且丁烯的解吸也相对容易。该催化剂在400°C仍具有12.6%转化率与96.9%选择性，拓展至丙烷、乙烷脱氢时也表现优异。更重要的是，通过O2煅烧可实现5次循环再生，活性完全恢复，其可逆聚集-再分散机制解决了催化剂结焦与烧结问题。

此研究为设计高效可再生低温催化剂提供新思路，推动烷烃转化向低能耗、高选择性方向发展。

文献名称：A highly efficient and regenerable Ir₁–Cu₁ dual-atom catalyst for low-temperature alkane dehydrogenation

ACB：钴单原子催化剂活化PMS高效降解抗生素

单原子催化剂（SACs）凭借最大化的原子利用率、可调控的电子结构和强化的金属-载体相互作用，在过一硫酸盐（PMS）活化领域展现出独特优势。然而传统SACs存在表面结合能过高导致原子团聚、生成动力学缓慢及选择性不足等瓶颈，亟需开发新策略在原子尺度精准调控SACs结构。

2025年9月5日，期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy报道研究人员创新性地开发出一种硼介导的配位工程策略，通过一步热解法在管状g-C3N4上构建单原子Co位点（Co-N3B1），用于活化PMS选择性生成单线态氧降解抗生素。

在该项工作中，研究人员通过同步精准调控锚定在硼掺杂氮化碳（CN）上的钴单原子空心管状形貌与配位结构，成功构建Co-N3B1催化剂。

将块体CN重构为空心管状结构可以暴露出丰富的PMS吸附位点，结合配位工程构建Co-N3B1活性中心。硼掺杂通过p-d轨道杂化诱导电子重排，形成双吸附位点并优化PMS活化过程。优化后的Co-N3B1催化剂降解盐酸四环素的速率常数达1.337 min−1选择性高达98.55%。实验与理论研究表明，定制的钴电子结构可降低PMS吸附能（2.3→2.09 eV），增强PMS电子供给能力，促进*O中间体向2的高选择性生成。该研究为环境修复中特定活性物种的精准调控提供了普适性策略。

文献名称：Morphology-coordination dual engineering in cobalt single-atom catalysts: Steering peroxymonosulfate activation into selective 1O2 generation for efficient antibiotic degradation

Joule ：单原子铂催化剂实现1100ºC高温催化氨气清洁稳定燃烧

氨气是非常有前景的绿色燃料，但其燃烧技术仍面临重大挑战。传统燃烧会产生二氧化碳和氮氧化物等污染物，虽然MILD燃烧等先进技术能降低氮氧化物排放，但通常会显著增加系统复杂度。

2025年7月3日，期刊Joule报道研究人员开发出一种创新的单原子铂（Pt）催化剂，成功实现了氨气在高达1100ºC条件下的稳定燃烧，为无碳工业加热和发电提供了新思路。

在该项工作中，研究人员首先开发出能在高温下保持高比表面积的10%ZrO2-Al2O3载体，通过ZrO2掺杂抑制Al2O3在1100ºC从过渡相到α相的转变，之后采用一锅法合成富含Pt单原子位点的催化剂。该催化剂在2% NH3和3% O2条件下，氨气起燃温度仅略高于200ºC（NH3转化率达90%以上）。值得注意的是，在1100ºC连续运行70小时后，该催化剂仍保持高活性和高氮气选择性，并且NOx排放稳定控制在50ppm左右。

这种单原子铂（Pt）催化剂在约200°C 就能点燃稀氨气，大大低于普通燃烧所需的温度。此外能在高达1100°C 的极端温度下稳定运行超过 80 小时，同时抑制有害氮氧化物气体的生成。这项成果不仅验证了氨气在高温条件下可以“干净地燃烧”，也说明单原子催化剂这一方向在能源燃烧领域具有重要应用潜力。

文献名称：Single-atom catalysts enabled catalytic ammonia combustion at 1,100°C

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