單原子催化劑（SACs）具有非常高的催化活性和高的原子利用率。目前，SAC已成為催化領域的前沿和先進功能材料。氣凝膠是高度多孔的材料，其具有極低的密度和極高的孔隙率。這些孔隙在確定其性質（如表面反應活性和機械穩(wěn)定性）方面起著關鍵作用。SACs和氣凝膠的聯(lián)合可以充分反映它們的結構優(yōu)勢，并產(chǎn)生新的增強效果。Li和Yu等人最近提出了“原子氣凝膠材料”（AAMs）（或單原子氣凝膠（SAAs））的概念，用以描述材料和催化領域中這種新型的單原子形式。根據(jù)“凝膠”的基本單位，AAM可分為兩類：載體級AAMs（具有微米、納米或亞納米的孔結構）和原子級AAMs，具有原子缺陷或氧橋亞納米孔結構）。前者（即單原子功能化氣凝膠）的基本單元是納米結構中的載體材料，而后者（即單原子構建的氣凝膠）是原子結構中的單金屬原子。原子缺陷或氧橋的AAM將是多相催化或非催化領域未來的重要發(fā)展方向。最后作者指出了這種新型“原子納米系統(tǒng)”在實際應用中的設計建議、潛在挑戰(zhàn)和應對策略。

本文綜述了原子氣凝膠材料(AAMs)在多相催化和非催化領域的研究進展(包括合成突破和潛在應用)。作者從四個方面強調了AAMs(或SAAs)的科學意義:通過孔結構優(yōu)化改善質量傳輸，通過化學鍵結合增強結構穩(wěn)定性，通過致密的位點結構產(chǎn)生原子協(xié)同作用，通過橋接結構增強電子效應。作者還從微米級孔隙的AAMs、納米級孔隙的AAMs、亞納米級孔隙的AAMs、原子缺陷級埃米孔隙的AAMs和氧橋埃米孔隙的AAMs五個方面進行了詳細的制備總結，并表達了對原子氣凝膠材料獨特的見解。本文綜述將為理解AAMs提供新的見解，有助于相關領域的研究人員深入了解AAMs(或所謂的單原子氣凝膠(SAAs))在催化應用(如熱催化、電催化、光催化和類酶催化)或非催化應用(儲能電池及電磁波吸收等)中的應用(詳見圖1)。

圖1 本綜述的框架示意圖

氣凝膠是指由基本的“納米單元”(如納米顆粒、納米片、納米線等)構建而成的超輕三維多孔材料(包括宏觀泡沫狀氣凝膠和介觀粉狀氣凝膠)。金屬單原子材料是指金屬原子以原子分散的狀態(tài)分布在特定載體上(金屬原子與之間存在配位化學鍵)的功能材料。單原子與氣凝膠的結合可以產(chǎn)生高度創(chuàng)新的“原子納米系統(tǒng)”。為此，作者在這篇綜述中提出了“原子氣凝膠材料(AAMs)(或單原子氣凝膠(SAAs))”的新概念來說明這種獨特的“原子納米體系”，其中AAMs包括兩個方面的基本含義(具體見圖2):(1)金屬單原子官能化宏觀氣凝膠(即“載體級AAMs”或“載體級SAAs”)和(2)金屬單原子自組裝介觀氣凝膠(即“原子級AAMs”或“原子級SAAs”)。

(1) “載體級AAMs”（金屬單原子功能化宏觀氣凝膠(即氣凝膠負載單原子材料)）: 通常氣凝膠(包括碳基氣凝膠和金屬氣凝膠)是金屬單原子的功能載體，其中金屬單原子是具有高活性的催化(或非催化)組分(在少數(shù)情況下，載體也可以是活性組分)。這種AAMs的孔隙結構是基于幾十納米到幾十微米的“載體納米單元”和相關的介孔或大孔結構組裝而成的。因此，這種AAMs就是所謂的“載體級AAMs” (見圖2左)。

(2) “原子級AAMs”（金屬單原子自組裝介觀氣凝膠(即真正的單原子氣凝膠)）: 一般情況下，金屬原子組裝成單原子氣凝膠高度依賴于金屬和非金屬配位結構，配位數(shù)較低(如小于4)，大多數(shù)金屬位點處于不飽和配位的高活性狀態(tài)。這種AAMs的孔隙結構是一種基于亞納米(或小于2納米)微孔的三維原子網(wǎng)絡結構，由非金屬隔離的“金屬單原子單元”構建而成。因此，這種AAMs就是所謂的“原子級AAMs” (見圖2右)。

圖2 AMMs的基本類型

這兩種類型的AAMs(即“載體級AAMs”和“原子級AAMs”)在納米尺寸、比表面積和孔隙率等材料性質上有所不同?！拜d體級AAMs”繼承了傳統(tǒng)氣凝膠(即載體)的孔隙結構特征(>90%高孔隙率)和機械物理性能(可壓縮的宏觀泡沫結構)，金屬單原子的功能化賦予了氣凝膠新的化學(或催化)性能。而“原子級AAMs”是由單個金屬原子自組裝而成的三維原子網(wǎng)絡材料(原子空位比>30%或較大的原子間間距)?！霸蛹堿AMs”通常可以是自支撐或獨立的超薄二維納米結構(厚度小于5 nm)或由特定載體支撐的氧橋原子團簇結構(0.5~2 nm納米團簇)。

特別地，對于原子級AAMs，即原子缺陷或氧橋單原子氣凝膠，將在不久的將來成為多相催化或非催化應用領域的重要發(fā)展方向。在此，為了更好地探索原子級氣凝膠的催化活性，促進其大規(guī)模應用，作者提出以下合理建議: (1)以二維原子級結構單元(獨立式單原子層催化劑(SALCs)或獨立式非晶超薄金屬納米片(AUMNs))為基礎，通過自組裝方法設計宏觀單原子級AAMs(即宏觀原子氣凝膠材料); (2)以負載雙原子或三原子為基礎，采用外延氧橋生長法設計負載原子級AAMs (即負載原子氣凝膠材料)(具體見圖3)。對于前者，其本質是自下而上的納米級組裝和構建獨立的原子氣凝膠宏觀產(chǎn)品。對于后者，在原子水平上(通過氧原子橋接原子生長)組裝和構建三維原子網(wǎng)絡上層結構具有重要意義，但也具有挑戰(zhàn)性。簡而言之，對單個原子的探索是無止境的，一切皆有可能。

圖3 原子級AMMs的設計建議

結論：在本綜述中，作者首次提出了原子氣凝膠材料(AAMs)(或單原子氣凝膠(SAAs))這一獨特的概念，以準確描述單原子功能化氣凝膠材料(即載體級AAMs)或三維原子網(wǎng)絡材料(即原子級AAMs)，并總結了其潛在的結構優(yōu)勢、典型的合成方法以及近三年來多相催化或非催化應用。詳細介紹了微米級、納米級、亞納米級、原子缺陷型、氧橋型多孔材料的制備方法及特點。顯然，載體級AAMs可以提供很多結構優(yōu)勢: 納米或微米級的分層多孔結構，單原子和氣凝膠的所有優(yōu)點。而原子級的AAMs可以提供獨特的結構優(yōu)勢: 三維原子網(wǎng)絡結構和原子級孔隙結構(原子空位或間隙)。在載體級AAMs上(由于氣凝膠的多孔效應)可以表現(xiàn)出明顯的催化性能和動力學增強，在原子級AAMs上(由于密集相鄰位點的協(xié)同效應或獨特的“氧橋”通信結構)可以揭示新的催化機制和增強效果。這類新型原子結構催化材料有望在未來幾年得到廣泛關注，并在不同的應用領域發(fā)揮出色的催化或其他非催化性能。

來源：材料人