3D打印單原子催化劑的通用策略

來源：科學網(wǎng)

2023年1月3日，南極熊獲悉，澳大利亞阿德萊德大學喬世璋教授團隊在Nature Synthesis期刊上發(fā)表了一篇題為“A General Approach to 3D Printed Single Atom Catalysts”的研究成果。該成果通過發(fā)展一種新型的天然聚合物作為前驅(qū)體，實現(xiàn)了3D打印策略與單原子材料的結合，該合成策略在單原子材料的合成上展現(xiàn)了很好的通用性。論文通訊作者是阿德萊德大學喬世璋教授。

單原子催化劑（single-atom catalysts, SACs）是將孤立的金屬原子錨定在固體基質(zhì)上，具有高原子經(jīng)濟性及配位環(huán)境可調(diào)等優(yōu)點。目前，基于化學方法的單原子的通用合成策略高度依賴于昂貴的前驅(qū)體或復雜的負載基底，這一類合成策略顯著提升了大規(guī)模制造單原子的整體造價。而除了化學合成外，基于機械磨損、熱沖擊或激光照射的通用合成策略往往需要特殊的裝備。因此，發(fā)展一種簡單且經(jīng)濟的通用的合成策略去大規(guī)模地合成單原子催化劑目前仍是一個很大的挑戰(zhàn)。

3D打印技術，也稱為增材制造技術。3D打印技術可以直接組裝目標材料，從而避免了上述合成步驟中的復雜的濕化學過程。另一方面，3D打印技術在多個方面的廣泛應用帶來了大量廉價的3d打印機及3D打印墨水材料，顯著降低了大規(guī)模生產(chǎn)時的成本。最后，3D打印技術還可以高效自動地在微米到米等多個尺度下構筑材料，為特定材料的工業(yè)化生產(chǎn)帶來契機。

澳大利亞阿德萊德大學的喬世璋教授團隊發(fā)展了一種新型的單原子通用合成策略。該合成策略利用日常生活中常見的天然高分子明膠等作為合成前驅(qū)體，創(chuàng)造性地實現(xiàn)了3D打印策略與單原子材料的結合。

圖1：3D打印合成與典型樣品的表征。

圖2：該合成策略在元素與原子負載量上的通用性。

該合成策略展現(xiàn)了很好的通用性，通過合成方法上的改變實現(xiàn)了多種單原子材料的合成。通過改變打印墨水的配方，實現(xiàn)了單原子材料中的元素與原子負載量上的調(diào)節(jié)。同步輻射X射線吸收譜和高分辨率球差電鏡的表征都證明了對元素和濃度的調(diào)節(jié)并不影響所得材料中原子的分散性。

圖3：該合成策略在配位環(huán)境和不同打印模式下的通用性。

表征結果證明，即便改變前驅(qū)體中的過渡金屬前驅(qū)物或者使用不同的天然聚合物作為基底材料，所得材料仍是單原子材料。同時，通過改變前驅(qū)物和使用后處理手段，所得單原子材料的配位環(huán)境可以被調(diào)控。最后，表征結果證明，使用不同的3D打印參數(shù)并不影響最終所得材料中原子的分散性。

圖4：3D打印單原子催化劑電極的性能驗證。

最后，作者利用硝酸根還原反應驗證了所得電極的電催化性能。與不帶單原子的碳基底電極相比，負載有鐵單原子的電極展現(xiàn)了更高的電催化性能，證明3D打印過程并不影響單原子催化劑的電化學性能。同時，測試后的表征結果證明了所得材料中原子的分散性在測試后仍得到保留，證明其具有較好的穩(wěn)定性。

該研究報道了一種新型的單原子材料的合成策略，3D打印策略與單原子材料的結合賦予了單原子材料生產(chǎn)時的連續(xù)生產(chǎn)能力和多尺度下的擴展能力。該合成策略提供了一種潛在的大規(guī)模生產(chǎn)或連續(xù)生產(chǎn)的單原子材料的途徑，為后續(xù)單原子材料的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)與應用帶來了潛在的契機。

該研究工作得到了來自中科院物理所，新西蘭奧塔哥大學，大連醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院，鄭州大學第一附屬醫(yī)院和澳大利亞同步輻射中心等多個單位的幫助與支持。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-022-00193-3