單原子催化劑作為重要的能源材料，其制備和合成方法顯得尤為重要。低維金屬有機(jī)骨架及其衍生物的獨(dú)特結(jié)構(gòu)為制備單原子催化劑提供了多種策略。本文綜述了基于低維金屬有機(jī)骨架及其衍生物制備單原子催化劑的各種策略。
香港中文大學(xué)（深圳）柯志海教授團(tuán)隊(duì)最新總結(jié)了利用低維金屬有機(jī)框架材料以制備單原子催化劑策略，研究報(bào)告已于近日在SMALL雜志在線發(fā)表（SMALL, 2024, DOI: org/10.1002/smll.202403767）。作為重要的能源材料，單原子催化劑 ( SAC ) 在光催化和電化學(xué)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，可用于未來(lái)的可持續(xù)技術(shù)。具有獨(dú)特電子結(jié)構(gòu)、低配位環(huán)境、量子尺寸效應(yīng)和金屬-載體相互作用的單原子催化劑有望提高光催化和電催化領(lǐng)域的催化活性、穩(wěn)定性和選擇性。然而，由于單原子的表面能高，它們?cè)诤铣珊痛呋^程中容易聚集。解決這一問題的舉措主要集中在將適量的活性金屬負(fù)載到具有高表面積和所需錨定定位位點(diǎn)的載體上。
在這方面，與其他傳統(tǒng)多孔材料相比，金屬有機(jī)骨架（MOF）獨(dú)有的特性，包括出色的可定制性、明確定義的多孔結(jié)構(gòu)、良好的可設(shè)計(jì)性以及超高的表面積，將完美滿足穩(wěn)定 SAC 的基底要求。
例如，與一些常用于錨定 SAC 的傳統(tǒng)多孔材料（如沸石、碳納米管和石墨烯）的可設(shè)計(jì)性較差相比，MOF 可以快速、精確地制備成具有所需尺寸、孔隙率和功能組的各種分級(jí)納米結(jié)構(gòu)，并通過不同的合成程序控制組合物的幾何形狀。
因此，MOF 有望成為制備具有高金屬負(fù)載和穩(wěn)定性的 SAC 最有前途和通用的平臺(tái)之一。根據(jù) MOF 各個(gè)部分所起的作用，單原子位點(diǎn)的形成機(jī)制也不同。大多數(shù)MOF材料需要經(jīng)過煅燒才能形成穩(wěn)定的單原子位點(diǎn)，但并非所有MOF材料都能避免金屬原子的聚集。與3D MOF不同，低維MOF（LD MOF）包括（1D，包括納米棒、納米管、納米線和納米針）和（2D，包括納米片、納米板和納米薄片）MOF，具有更多功能化的開放位點(diǎn)、超薄結(jié)構(gòu)和可調(diào)成分。
總之，本文概述了低維金屬有機(jī)框架（LD-MOF） 的制備方法以及使用 LD-MOF 作為載體或前體制備的 MOF 基 SAC 的重大進(jìn)展。LD-MOF 的制備過程對(duì)最終 MOF 基材料的結(jié)構(gòu)和性能有重大影響，具有作為創(chuàng)建許多具有一些令人著迷的結(jié)構(gòu)和催化性能的 MOF 基 SAC 的平臺(tái)的巨大潛力。然而，盡管 LD MOF 基 SAC 取得了快速進(jìn)展，但仍有許多問題或挑戰(zhàn)需要解決或考慮。
因此，為了獲得各向異性的二維金屬納米材料，大多數(shù)合成策略依賴于基于溶液的膠體合成、由熱分解誘導(dǎo)的自下而上的生長(zhǎng)途徑或金屬前體的化學(xué)還原。在另一方面，從工業(yè)化需求的角度看，目前MOF基SAC的金屬負(fù)載量還有待進(jìn)一步提高，尤其對(duì)于光催化和電催化應(yīng)用，通常需要較高的活性位點(diǎn)密度來(lái)提高電流密度。
然而，當(dāng)MOF基SAC的金屬負(fù)載量增加時(shí)，金屬原子容易團(tuán)聚形成金屬納米顆粒。另外，以LD-MOF為載體或前驅(qū)體制備MOF基SAC還處于實(shí)驗(yàn)室水平，開發(fā)普遍適用、高效、廉價(jià)的策略才是實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的方向。
因此，研究人員應(yīng)著力制定可行的指導(dǎo)方針和技術(shù)要點(diǎn)，優(yōu)化以LD-MOF為載體或前驅(qū)體制備MOF基SAC的策略，以獲得具有所需結(jié)構(gòu)和催化性能的MOF基SAC，并嘗試將其應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。基于上述進(jìn)展和該領(lǐng)域的不懈努力，采用LD-MOF作為載體或前驅(qū)體制備的MOF基SAC將擁有光明的未來(lái)。
Lu, Y., & Ke, Z. (2024). Strategies for the Preparation of Single‐Atom Catalysts Using Low‐Dimensional Metal–Organic Frameworks.DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202403767
