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原创CellPressCellPress细胞科学
交叉学科Interdisciplinary
催化领域的单原子催化剂(SAC)在文献中被广泛报道。从合成到应用,SAC相关的研究在过去十年中呈指数级增长。然而,单原子催化剂的工业化并在脱碳过程中扮演关键角色这一目标的实现仍存在困难。该领域的学者们为实现SAC在可持续性研究中的全部潜力所进行的共同努力,有望成为SAC发展的转折点。
基于SAC领域的快速发展和广泛影响,以及其对未来研究的紧迫性,CellPress期下开放获取期刊iScience特约中国科学技术大学吴宇恩教授和南洋理工大学刘彬教授作为客座编辑共同组织了特刊:Single-atomcatalystsataturningpoint。本特刊将通过涵盖一系列相关的研究来突出SAC这一跨学科主题,这些研究包括:SAC的表征,从原子到纳米的尺度对SAC的理解,SAC计算和预测,SAC的稳定性、放大合成,以及其在能源材料、燃料电池催化、水修复等方面的应用。
作者专访
CellPress细胞出版社特邀请本特刊客座编辑之一的吴宇恩教授进行了专访,请他聊聊单原子催化剂研究背后的故事。
CellPress:
首先感谢吴教授接受我们的邀请担任本期iScience特刊“转折点上的单原子催化”的客座编辑,请问您参与此次特刊创立的初衷是什么?该如何理解“转折点”对于单原子催化剂(SAC)未来发展的意义?
吴宇恩教授:
我是12年左右接触到单原子催化这个领域的,当时是看到了张涛老师的那篇NatureChemistry的工作,当时对我影响很大。因为当时的我正在读博士,我对于纳米科学的理解还停留在调控晶面、形貌、组装等结构来优化性能的阶段,这种颠覆性的材料和科学理念的出现让我这个做纳米材料、纳米合成的人兴奋不已。从12年到22年又是10年的时间,这段时间内单原子催化剂的合成方法、表征技术、理论水平都有了长足的进步。这些年,也有很多的科学家尝试利用单原子催化剂对工业上很多重要的催化反应中实现金属的减量化。从学术界来看,不管是电催化还是热催化,我们用单原子催化剂往往能够得到一个非常高的TOF。但是工业界的很多反应是追求时空收率、稳定性和成本的,所以单原子催化剂如果想摆脱永远只能做模型催化的标签的话呢,必须要得到工业界的认可,真正在化工、制药、医疗、能源、环境等领域发挥不可替代的作用。所以这个专刊的初衷是要让我们停下来思考一下单原子催化的未来,单原子催化到底是不是昙花一现?在十四五新的发展时期,在双碳的背景下,我觉得需要这个领域的科学家一起来推动这个领域的进步,这样单原子催化这个领域才能更加良性的发展。
CellPress:
如何理解反应过程中SAC的结构演化对于深刻认识反应活性来源具有指导意义,因此开发合适且低成本的原位表征技术十分重要,目前已有的基于谱学的原位测试给出的更多是材料的平均性质,对于SAC结构演化中可能产生的团簇、颗粒物质以及其对反应性能的影响所能给出的验证比较缺乏,请问您对未来原位表征技术的发展有何期待?
吴宇恩教授:
表征确实是困扰和阻碍这个领域的一个很重要的因素。从纳米到单原子,尺度上也降低了1个数量级,相当于我们之前在纳米领域的所使用的光子和电子的能量都要提升,而能量的提升就有可能会破坏原来的局域结构,导致我们看到的很可能不是真实的局域结构。而如果我们不提升探测精度而只追求材料的一个整体平均属性的话,那实际上是无法反应单原子催化剂的统计学分布的。所以,从纳米到埃,从探测的空间分辨、时间分辨以及数据采集速率等很多个方面都对表征提出了更高的要求,相反,也推动了物理学、材料学、工程学科、计算机等领域的发展。对于未来的原位表征技术,一个是我很