單原子催化劑由于其特殊的結構而呈現出顯著不同于常規納米催化劑的活性、選擇性和穩定性。批量生產高效，耐用和廉價的單原子催化劑的是當前單原子催化劑大規模應用的主要挑戰。

最近北京科技大學數理學院宋玉軍教授團隊與天津大學鄧意達教授以及美國阿貢國家實驗室吳天品博士合作開發了一種單原子催化劑合成的簡單通用策略，該策略使用簡單的超聲霧化與熱解和煅燒過程相結合，能大批量的合成單原子FeNC催化劑（FeNC SAC）。研究成果以“Mass Production of High Performance Single Atomic FeNC Electrocatalysts via Sequenced Ultrasonic Atomization and Pyrolysis Process”為題，在線發表在國際期刊SCIENCE CHINA Materials（中科院JCR分區1區，2019年影響因子為6.098）上。北京科技大學宋玉軍教授為通訊作者，博士研究生馬炬剛為第一作者。

圖1. 超聲霧化結合熱解和煅燒制備FeNC SAC的示意圖

該工作綜合運用多種物理表征手段，如球差電鏡、同步輻射和穆斯保爾譜等，證實鐵的單原子結構：四吡啶N原子螯合的單原子Fe位點。通過進一步的酸浸提純和熱解后的煅燒處理，FeNC SAC形成了具有粗糙表面的高爾夫球狀形狀，提供了較大的接觸面積和更多暴露的活性位點，這有效地增強了反應物的質量擴散。

圖2. FeNC SAC的球差電鏡和和同步輻射表征結果

圖3. FeNC SAC的ORR性能和在鋅空電池中應用示意圖

FeNC SAC的電化學性能參數，包括正半波電勢（E1/2=0.87 V）和動電流密度（Jk=10.44 mVcm-2），比貴金屬商業Pt/C催化劑要好。合成的FeNC SAC表現出出色的耐甲醇性和對ORR的高選擇性，表明它們在直接甲醇燃料電池的陰極中顯示出巨大的潛力。

特別地，通過煅燒步驟增強了FeNC SAC的長期穩定性。最后，我們使用FeNC SAC作為鋅-空氣電池的陰極催化劑，與使用商用Pt/C催化劑制造的電池相比，它們具有更大的容量和更長的放電時間。更重要的是，這種合成策略為商業應用的SAC的大規模、低成本合成提供了一種新的通用有效方法。另外，鑒于其金屬-氮配位的獨特單原子位點結構，催化劑可以繼續和各類藥物偶聯成為單原子位點納米藥物，用于特殊疾病的治療上。

這項工作得到了傳染病防治國家科技重大專項“原始創新型納秒刀精準消融肝癌抗復發轉移的研發及臨床應用研究（2018ZX10301201）”和國家自然基金面上項目“具有多重刺激響應和多模成像功能口服型肝癌納米藥物結構設計和制備及藥理研究（51971029）”及國家自然科學基金委國際(地區)合作與交流項目(NSFC-BRICS)“具有高磁光效應和自旋-軌道相互作用的納米結構（51861145309）“的資助。

http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s40843-020-1464-6

來源：北京科技大學數理學院