單原子（SA）催化劑是含分散在載體表面、孤立存在的單金屬原子，是提高原子催化效率的終極代表。SA催化劑可望實現較高的選擇性、可調的高活性和獨特的金屬配位環境等催化性能。現在，作爲非均相催化的新領域，SA催化劑是諸多反應（包括氧化、氫化、電催化等）的新前沿領域，已引起極大關注。然而，由於其過量的表面自由能，SA在升溫時趨於聚集成顆粒，這便是熱失活或燒結現象。因此，最近的研究試圖通過在800~1200°C不同載體（如TiO2、CeO2、FeOx、氮摻雜碳和碳納米纖維）上形成金屬-載體強相互作用，來提高SAs的熱穩定性。其中的一些實驗在高溫下觀察到了從納米團簇到SA的反常轉變。然而，鑑於SA形成於原子尺度、轉化又發生於毫秒之間，其反常分散現象背後的機理僅通過實驗探索恐難以深入揭示，勢必要通過對NP-to-SA過程的全面原子模擬來破譯這種潛在的機制，以捕獲在短時間內發生的關鍵原子尺度事件。

來自美國馬里蘭大學的李騰教授與西安交通大學申勝平教授的合作研究，利用分子動力學方法模擬了碳材料表面的納米金顆粒在高溫下向單原子演化的過程。這項研究考慮了碳表面的空位濃度對單原子形成的影響，並由此分析了單原子的形成機理，而且進一步考察了單原子在高溫下的熱穩定性和催化性能。這項研究發現，碳材料表面的空位使碳原子的懸掛鍵與金原子形成共價鍵，而增加碳材料表面的空位能夠促進單原子的完全分散。進一步研究還發現，金單原子催化甲烷氧化的效率可以高達金納米顆粒催化效率的4倍。

該文近期發表於npj Computational Materials 6: 23 (2020)，英文標題與摘要如下，點擊https://www.nature.com/articles/s41524-020-0292-y可以自由獲取論文PDF。

Stabilizing mechanism of single-atom catalysts on a defective carbon surface

Lianping Wu, Shuling Hu, Wenshan Yu, Shengping Shen, Teng Li

Single-atom (SA) catalysts represent the ultimate limit of atom use efficiency for catalysis. Promising experimental progress in synthesizing SA catalysts aside, the atomic scale transformation mechanism from metal nanoparticles (NPs) to metal SAs and the stabilization mechanism of SA catalysts at high temperature remain elusive. Through systematic molecular dynamics simulations, for the first time, we reveal the atomic scale mechanisms associated with the transformation of a metal NP into an array of stable SAs on a defective carbon surface at a high temperature, using Au as a model material. Simulations reveal the pivotal role of defects in the carbon surface in trapping and stabilizing the Au-SAs at high temperatures, which well explains previous experimental observations. Furthermore, reactive simulations demonstrate that the thermally stable Au-SAs exhibit much better catalyst activity than Au-NPs for the methane oxidation at high temperatures, in which the substantially reduced energy barriers for oxidation reaction steps is the key. Findings in the present study offer mechanistic and quantitative guidance for material selection and optimal synthesis conditions to stabilize metal SA catalysts at high temperatures.