首页 > 行业资讯 > 《Adv. Mater.》：原子气凝胶或单原子气凝胶 - 一个有趣的新概念

《Adv. Mater.》：原子气凝胶或单原子气凝胶 - 一个有趣的新概念

时间：2023-01-17 来源： 浏览：

《Adv. Mater.》：原子气凝胶或单原子气凝胶 - 一个有趣的新概念

化学与材料科学 化学与材料科学
化学与材料科学

Chem-MSE

聚集海内外化学化工、材料科学与工程、生物医学工程领域最新科学前沿动态，与相关机构共同合作，发布实用科研成果，结合政策、资本、商业模式、市场和需求、价值评估等诸要素，构建其科技产业化协同创新平台，服务国家管理机构、科研工作者、企业决策层。

收录于合集
#原子气凝胶 2 个
#AAMs 2 个
#气凝胶 13 个
#原子结构催化材料 2 个
#原子级AAMs 2 个

点击蓝字关注我们

摘要 ： 单原子催化剂（ SACs ）具有非常高的催化活性和高的原子利用率。目前， SAC 已成为催化领域的前沿和先进功能材料。气凝胶是高度多孔的材料，其具有极低的密度和极高的孔隙率。这些孔隙在确定其性质（如表面反应活性和机械稳定性）方面起着关键作用。 SACs 和气凝胶的联合可以充分反映它们的结构优势，并产生新的增强效果。 Li 和 Yu 等人最近提出了 “ 原子气凝胶材料 ” （ AAMs ）（或单原子气凝胶（ SAAs ））的概念，用以描述材料和催化领域中这种新型的单原子形式。根据 “ 凝胶 ” 的基本单位， AAM 可分为两类：载体级 AAMs （具有微米、纳米或亚纳米的孔结构）和原子级 AAMs ，具有原子缺陷或氧桥亚纳米孔结构）。前者（即单原子功能化气凝胶）的基本单元是纳米结构中的载体材料，而后者（即单原子构建的气凝胶）是原子结构中的单金属原子。原子缺陷或氧桥的 AAM 将是多相催化或非催化领域未来的重要发展方向。最后作者指出了这种新型 “ 原子纳米系统 ” 在实际应用中的设计建议、潜在挑战和应对策略。

本文综述了原子气凝胶材料 (AAMs) 在多相催化和非催化领域的研究进展 ( 包括合成突破和潜在应用 ) 。作者从四个方面强调了 AAMs( 或 SAAs) 的科学意义 : 通过孔结构优化改善质量传输，通过化学键结合增强结构稳定性，通过致密的位点结构产生原子协同作用，通过桥接结构增强电子效应。作者还从微米级孔隙的 AAMs 、纳米级孔隙的 AAMs 、亚纳米级孔隙的 AAMs 、原子缺陷级埃米孔隙的 AAMs 和氧桥埃米孔隙的 AAMs 五个方面进行了详细的制备总结，并表达了对原子气凝胶材料独特的见解。本文综述将为理解 AAMs 提供新的见解，有助于相关领域的研究人员深入了解 AAMs( 或所谓的单原子气凝胶 (SAAs)) 在催化应用 ( 如热催化、电催化、光催化和类酶催化 ) 或非催化应用 ( 储能电池及电磁波吸收等 ) 中的应用 ( 详见 图 1 ) 。
图 1 本综述的框架示意图
气凝胶是指由基本的 “ 纳米单元 ”( 如纳米颗粒、纳米片、纳米线等 ) 构建而成的超轻三维多孔材料 ( 包括宏观泡沫状气凝胶和介观粉状气凝胶 ) 。金属单原子材料是指金属原子以原子分散的状态分布在特定载体上 ( 金属原子与之间存在配位化学键 ) 的功能材料。单原子与气凝胶的结合可以产生高度创新的 “ 原子纳米系统 ” 。为此，作者在这篇综述中提出了 “ 原子气凝胶材料 (AAMs)( 或单原子气凝胶 (SAAs))” 的新概念来说明这种独特的 “ 原子纳米体系 ” ，其中 AAMs 包括两个方面的基本含义 ( 具体见 图 2 ):(1) 金属单原子官能化宏观气凝胶 ( 即 “ 载体级 AAMs” 或 “ 载体级 SAAs”) 和 (2) 金属单原子自组装介观气凝胶 ( 即 “ 原子级 AAMs” 或 “ 原子级 SAAs”) 。
(1) “ 载体级 AAMs” （金属单原子功能化宏观气凝胶 ( 即气凝胶负载单原子材料 ) ） : 通常气凝胶 ( 包括碳基气凝胶和金属气凝胶 ) 是金属单原子的功能载体，其中金属单原子是具有高活性的催化 ( 或非催化 ) 组分 ( 在少数情况下，载体也可以是活性组分 ) 。这种 AAMs 的孔隙结构是基于几十纳米到几十微米的 “ 载体纳米单元 ” 和相关的介孔或大孔结构组装而成的。因此，这种 AAMs 就是所谓的 “ 载体级 AAMs” ( 见 图 2 左 ) 。
(2) “ 原子级 AAMs” （金属单原子自组装介观气凝胶 ( 即真正的单原子气凝胶 ) ） : 一般情况下，金属原子组装成单原子气凝胶高度依赖于金属和非金属配位结构，配位数较低 ( 如小于 4) ，大多数金属位点处于不饱和配位的高活性状态。这种 AAMs 的孔隙结构是一种基于亚纳米 ( 或小于 2 纳米 ) 微孔的三维原子网络结构，由非金属隔离的 “ 金属单原子单元 ” 构建而成。因此，这种 AAMs 就是所谓的 “ 原子级 AAMs” ( 见 图 2 右 ) 。
图 2 AMMs 的基本类型
这两种类型的 AAMs( 即 “ 载体级 AAMs” 和 “ 原子级 AAMs”) 在纳米尺寸、比表面积和孔隙率等材料性质上有所不同。 “ 载体级 AAMs” 继承了传统气凝胶 ( 即载体 ) 的孔隙结构特征 (>90% 高孔隙率 ) 和机械物理性能 ( 可压缩的宏观泡沫结构 ) ，金属单原子的功能化赋予了气凝胶新的化学 ( 或催化 ) 性能。而 “ 原子级 AAMs” 是由单个金属原子自组装而成的三维原子网络材料 ( 原子空位比 >30% 或较大的原子间间距 ) 。 “ 原子级 AAMs” 通常可以是自支撑或独立的超薄二维纳米结构 ( 厚度小于 5 nm) 或由特定载体支撑的氧桥原子团簇结构 (0.5~2 nm 纳米团簇 ) 。
特别地，对于原子级 AAMs ，即原子缺陷或氧桥单原子气凝胶，将在不久的将来成为多相催化或非催化应用领域的重要发展方向。在此，为了更好地探索原子级气凝胶的催化活性，促进其大规模应用，作者提出以下合理建议 : (1) 以二维原子级结构单元 ( 独立式单原子层催化剂 (SALCs) 或独立式非晶超薄金属纳米片 (AUMNs)) 为基础，通过自组装方法设计宏观单原子级 AAMs( 即宏观原子气凝胶材料 ); (2) 以负载双原子或三原子为基础，采用外延氧桥生长法设计负载原子级 AAMs ( 即负载原子气凝胶材料 )( 具体见 图 3 ) 。对于前者，其本质是自下而上的纳米级组装和构建独立的原子气凝胶宏观产品。对于后者，在原子水平上 ( 通过氧原子桥接原子生长 ) 组装和构建三维原子网络上层结构具有重要意义，但也具有挑战性。简而言之，对单个原子的探索是无止境的，一切皆有可能。
图 3 原子级 AMMs 的设计建议
结论：
在本综述中，作者首次提出了原子气凝胶材料 (AAMs)( 或单原子气凝胶 (SAAs)) 这一独特的概念，以准确描述单原子功能化气凝胶材料 ( 即载体级 AAMs) 或三维原子网络材料 ( 即原子级 AAMs) ，并总结了其潜在的结构优势、典型的合成方法以及近三年来多相催化或非催化应用。详细介绍了微米级、纳米级、亚纳米级、原子缺陷型、氧桥型多孔材料的制备方法及特点。显然，载体级 AAMs 可以提供很多结构优势 : 纳米或微米级的分层多孔结构，单原子和气凝胶的所有优点。而原子级的 AAMs 可以提供独特的结构优势 : 三维原子网络结构和原子级孔隙结构 ( 原子空位或间隙 ) 。在载体级 AAMs 上 ( 由于气凝胶的多孔效应 ) 可以表现出明显的催化性能和动力学增强，在原子级 AAMs 上 ( 由于密集相邻位点的协同效应或独特的 “ 氧桥 ” 通信结构 ) 可以揭示新的催化机制和增强效果。这类新型原子结构催化材料有望在未来几年得到广泛关注，并在不同的应用领域发挥出色的催化或其他非催化性能。 相关论文以 Atomic Aerogel Materials (or single atom aerogels): an Interesting New Paradigm in Materials Science and Catalysis Science 为题发表在 《 Advanced Materials 》 上。文章作者是广东石油化工学院 李泽胜 副教授、 余长林 教授 。

原文链接

https://doi.org/10.1002/adma.202211221

相关进展

中南大学张翼和加州大学圣克鲁斯分校陈少伟 CEJ：碳气凝胶负载原子分散级钌作为高效全pH析氢电催化剂

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chem@chemshow.cn

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至chem@chemshow.cn，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。

版权：如无特殊注明，文章转载自网络，侵权请联系cnmhg168#163.com删除！文件均为网友上传，仅供研究和学习使用，务必24小时内删除。
相关推荐
热门信息