摘要：金属单原子在催化反应中得到了广泛的关注。然而，与均相催化相比，金属单原子催化剂在传统载体表面上的传质过程仍然受到显著限制。近日，上海交通大学邱惠斌教授研究团队报道了具有高度溶剂化(2-乙烯基吡啶)冠层的圆柱形胶束刷，可以在常温下将33种金属单原子以8.3%~4

金属单原子在催化反应中得到了广泛的关注。然而，与均相催化相比，金属单原子催化剂在传统载体表面上的传质过程仍然受到显著限制。近日，上海交通大学邱惠斌教授研究团队报道了具有高度溶剂化(2-乙烯基吡啶)冠层的圆柱形胶束刷，可以在常温下将33种金属单原子以8.3%~40.9 wt%的负载量固定在传统电极上，这是由于胶束刷的森林状、开放的软结构以及金属与吡啶基团之间的动态配位作用。研究发现，金属单原子的纳米森林可以在水溶液电解质中良好溶剂化，从而全面暴露原子活性位点。泡沫镍上的铂单原子纳米森林在电催化析氢反应中展现出优异的电化学性能。此外，胶束刷同时负载多种单原子并应用在阴离子交换膜电解槽阴极上并实现稳定的水裂解反应。

研究人员利用结晶驱动自组装方法，在泡沫镍基底上生长了具有直立结构的PFS-b-P2VP胶束刷。该胶束刷通过静电作用捕获PtCl42-离子，并通过吡啶基团的配位作用和其开放的森林状结构可高效锚定铂单原子，形成铂单原子纳米森林。

图1. 铂金属纳米森林的构筑示意图。

铂单原子纳米森林呈直立且均匀分布于镍泡沫表面，HAADF-STEM和XAS等表征表明Pt以单原子形式高度分散，负载量达28.4 wt%，并通过吡啶基团形成稳定的N-Pt配位复合物。

图2.铂单原子纳米森林的结构分析。

为了证明金属单原子纳米森林的普适性，研究人员对32种金属元素（包括过渡金属、后过渡金属、镧系金属以及碱金属和碱土金属）在胶束刷上进行负载，发现这些金属均可在胶束刷中成功锚定并以单原子形式高度分散，负载量达到8.3~40.9 wt%。

图3. 金属单原子纳米森林的普适性研究。

研究表明，铂单原子纳米森林在碱性溶液能保持直立的结构，并表现出优异的电催化析氢性能，低过电位（76.1 mV@100 mA cm⁻²）、高质量活性（25.9 A mg Pt -1）及长时间稳定性（500小时无明显衰减）。密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示，铂单原子与吡啶基团的动态可逆配位有助于水分子的吸附与解离、羟基离子的释放以及H₂的生成，从而显著提升催化效率。

图4. 铂金属纳米森林的电催化析氢性能研究。

通过利用具有开放结构和丰富吡啶基团的胶束刷，成功制备了包含2种（如Pt-Ir）、5种（Co-Cu-Zn-Pt-Ir）和8种金属（Fe-Co-Ni-Cu-Zn-Pt-Pd-Ir）的多金属单原子纳米森林，金属单原子均匀分散且具有高负载量。8种金属单原子纳米森林应用于阴离子交换膜电解槽中，在500 mA cm -2和1.0 A cm -2电流密度下电压为1.77 V和1.94 V，并在500小时稳定运行。

图5. 多种金属单原子纳米森林的制备及电化学应用。

该工作以“Soft Nanoforest of Metal Single Atoms for Free Diffusion Catalysis”为题发表于Science Advances上（DOI：10.1126/sciadv.adq2948）。文章的第一作者为上海交通大学化学化工学院博士后孙炎，上海交通大学邱惠斌教授、刘晰教授、浙江理工大学化学与化工学院沈程硕特聘副教授和上海光源李丽娜教授为本文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、上海市科委、上海市教委、浙江省自然科学基金委、浙江理工大学项目、中国博士后基金的经费资助，特此感谢。

来源：小蒋的科学讲堂