單原子催化是不是“曇花一現”？聽聽吳宇恩教授怎麼說

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交叉學科Interdisciplinary

催化領域的單原子催化劑（SAC）在文獻中被廣泛報道。從合成到應用，SAC相關的研究在過去十年中呈指數級增長。然而，單原子催化劑的工業化並在脫碳過程中扮演關鍵角色這一目標的實現仍存在困難。該領域的學者們為實現SAC在可持續性研究中的全部潛力所進行的共同努力，有望成為SAC發展的轉折點。

基於SAC領域的快速發展和廣泛影響，以及其對未來研究的緊迫性，Cell Press期下開放獲取期刊iScience特約中國科學技術大學吳宇恩教授和南洋理工大學劉彬教授作為客座編輯共同組織了特刊：Single-atom catalysts at a turning point。本特刊將透過涵蓋一系列相關的研究來突出SAC這一跨學科主題，這些研究包括：SAC的表徵，從原子到奈米的尺度對SAC的理解，SAC計算和預測，SAC的穩定性、放大合成，以及其在能源材料、燃料電池催化、水修復等方面的應用。

作者專訪

Cell Press細胞出版社特邀請本特刊客座編輯之一的吳宇恩教授進行了專訪，請他聊聊單原子催化劑研究背後的故事。

CellPress：

首先感謝吳教授接受我們的邀請擔任本期iScience特刊“轉折點上的單原子催化”的客座編輯，請問您參與此次特刊創立的初衷是什麼？該如何理解“轉折點”對於單原子催化劑（SAC）未來發展的意義？

吳宇恩教授：

我是12年左右接觸到單原子催化這個領域的，當時是看到了張濤老師的那篇Nature Chemistry的工作，當時對我影響很大。因為當時的我正在讀博士，我對於奈米科學的理解還停留在調控晶面、形貌、組裝等結構來最佳化效能的階段，這種顛覆性的材料和科學理念的出現讓我這個做奈米材料、奈米合成的人興奮不已。從12年到22年又是10年的時間，這段時間內單原子催化劑的合成方法、表徵技術、理論水平都有了長足的進步。這些年，也有很多的科學家嘗試利用單原子催化劑對工業上很多重要的催化反應中實現金屬的減量化。從學術界來看，不管是電催化還是熱催化，我們用單原子催化劑往往能夠得到一個非常高的TOF。但是工業界的很多反應是追求時空收率、穩定性和成本的，所以單原子催化劑如果想擺脫永遠只能做模型催化的標籤的話呢，必須要得到工業界的認可，真正在化工、製藥、醫療、能源、環境等領域發揮不可替代的作用。所以這個專刊的初衷是要讓我們停下來思考一下單原子催化的未來，單原子催化到底是不是曇花一現？在十四五新的發展時期，在雙碳的背景下， 我覺得需要這個領域的科學家一起來推動這個領域的進步，這樣單原子催化這個領域才能更加良性的發展。

CellPress：

如何理解反應過程中SAC的結構演化對於深刻認識反應活性來源具有指導意義，因此開發合適且低成本的原位表徵技術十分重要，目前已有的基於譜學的原位測試給出的更多是材料的平均性質，對於SAC結構演化中可能產生的團簇、顆粒物質以及其對反應效能的影響所能給出的驗證比較缺乏，請問您對未來原位表徵技術的發展有何期待？

吳宇恩教授：

表徵確實是困擾和阻礙這個領域的一個很重要的因素。從奈米到單原子，尺度上也降低了1個數量級，相當於我們之前在奈米領域的所使用的光子和電子的能量都要提升，而能量的提升就有可能會破壞原來的局域結構，導致我們看到的很可能不是真實的局域結構。而如果我們不提升探測精度而只追求材料的一個整體平均屬性的話，那實際上是無法反應單原子催化劑的統計學分佈的。所以，從奈米到埃，從探測的空間分辨、時間分辨以及資料採集速率等很多個方面都對錶徵提出了更高的要求，相反，也推動了物理學、材料學、工程學科、計算機等領域的發展。對於未來的原位表徵技術，一個是我很關注pump-probe的x射線探測技術，能夠儘快從ps級的解析度推進到fs級，讓我們能夠窺見電子轉移的過程。還有一個是快速篩選和統計資料的技術，對於單原子我們關注的是局域結構，但是局域結構是如何影響一個催化劑的整體行為的呢？這個時候我們就需要有對於局域結構的快速表徵的能力和對資料的統計學分析能力，讓我們更好的理解局域結構和催化劑的整體行為。

CellPress：

SAC的一大優勢是單原子活性中心有助於對其構效關係的研究，這可能促使未來研究正規化的轉變，即透過結合載體、配位形式、元素本徵性質等因素，預測並篩選合成所得SAC的效能並進行合成和測試，您如何看待這種研究正規化的轉變？其可能面對哪些挑戰？

吳宇恩教授：

人工智慧和機器學習的思想其實不僅僅影響到了單原子催化這個領域，其實也滲透到了化學領域的很多方向，比如藥物分子的篩選，化學分子的合成，蛋白質結構預測等等，新的化學工具的引入一定會大大加快化學學科的發展，同時也會帶來很多交叉學科的機會。我覺得這種思想的變化是很重要的，我覺得作為一個化學科研人員要及時的更上這種變化，熟練的適應這種工具所帶來的研究正規化的變化，長期不斷的學習和接受新的思想， 這樣才能緊跟科學前沿，並大大的加快我們研究的效率。

CellPress：

由單中心SAC的催化向多中心（多元素，或者鄰近協同的單元素）SAC的研究是SAC未來可能的發展方向之一，您對於研究多個單原子之間協同作用的探究與應用有何期待？

吳宇恩教授：

本質上，從單中心向多中心發展，是透過更豐富的化學工具讓單原子催化劑這種局域結構決定催化效能的材料有了更多的調控的可能，讓單原子催化劑的外層軌道的電子結構和幾何結構有了更豐富的結構引數和可調變稟賦。我覺得這也從原來的配位數、配位元素這種簡單的調控向著複雜體系邁進，一定能夠發現更多的物理化學特性。但是，目前來說，我們對於多中心的表徵工具還遠遠不足，合成方法和工具也不夠，很難實現超高分散和單一活性位的調控。多中心的發展是未來的發展方向，我們只有把複雜性提高，才有可能實現類酶催化，但是面臨著非常大的挑戰。相比於多個金屬原子之間的協同，其實我更關注的是單原子周圍配位結構的變化。酶中心的多肽和蛋白質是一直處在運動當中的，而且是具有手性的，他們可以在催化過程當中實現一個更高的有效碰撞機率，這樣才可以大大降低反應的活化能和提升反應的選擇性。目前工業體系中的催化劑往往需要高溫高壓的過程，後續的分離純化往往需要耗費巨大的能量。我想單原子豐富的可調變特性有可能能給我們解決傳統催化過程中高耗能和高汙染的問題帶來希望。

CellPress：

將SAC推向實際工業應用是研究人員夢寐以求的，請問這一過程中目前還存在哪些挑戰？SAC的經濟性、穩定性是否比傳統催化劑更具優勢？

吳宇恩教授：

在現有的雙碳背景下，我們要求未來的化學化工過程更加的綠色、經濟、環保，這其實給單原子催化帶來了更多的機會。但是我們可以看到，我們在考慮單原子催化的時候往往忽略時間這個維度。這是什麼意思呢？就是一個化工廠是追求生產效率的，也就是時空收率，如果我們的單原子催化劑不能在有限的空間時間內生產出足夠多的產物，那單原子催化劑可能是無法替代傳統的催化劑的。但是如果我們如果面向的工業應用是不追求極致的時空收率，或者說催化的過程是一個長期的過程，那麼單原子催化劑就能夠發揮出降本增效的巨大優勢。這樣的方向有很多，比如抗菌抗病毒、耐腐蝕、抗橡膠的老化等等。所以，如果我們的單原子催化的領域永遠停留在追求TOF，而不結合工業需求的話，那實際上對於推動SAC往工業化應用上是不利的。

CellPress：

我們都知道，您的團隊在單原子材料領域取得了一系列重要突破，成果應用於能源催化、消毒殺菌、化學感測以及環境治理等領域，例如您去年在Chem期刊發表的關於ZnO負載原子級分散的Au用於高靈敏NO2感測的工作。請問SAC除了在催化領域外，在其他領域的應用中所具備的優勢有哪些？應用上又存在何種挑戰？

吳宇恩教授：

首先我們團隊在很多領域都只是取得了很小的一點點發現，離我心目中理解的重要突破還差得很遠。對於單原子催化劑而言，如果我們能夠保證單原子的每一個反應位點都很均一的時候，理論上一個反應設計到多個產物的時候在單原子位點上一定會有一個熱力學最優的反應路徑。也就是我們如果對單原子催化劑的設計足夠精細的話，他對於分子的識別和相互作用就會越專一。這也是為什麼我覺得單原子催化劑在化學感測和生物醫學領域一定會有很大的應用前景的原因。對於感測來說，我們實際上是不追求時空收率的，但是我們追求的是對目標分子的識別，追求的是能否把生物化學的反應定向準確的轉變成可識別的物理訊號。目前來說，在化學感測領域的巨大挑戰是我們設計的單原子催化劑的活性位點的均一性還無法像均相的金屬絡合物那樣均一，而且我們絕大多數的單原子位點的局域結構都是平面型的，並不像均相的分子那樣有豐富的三維結構。單原子位點的可剪裁性和可調控性還不如均相的有機絡合物那樣豐富。比如我們知道血糖檢測裡面的有線酶技術已經大規模應用了，但是裡面應用的依然是均相的Os中心絡合物。所以，我認為單原子催化劑在化學感測和生物應用等領域主要是和均相的金屬絡合物在競爭，他的著眼點和設計理念應該是和傳統的多相催化和電催化領域不一樣的。

CellPress：

截至目前，本期iScience特刊相繼發表了7篇SAC領域的優秀文章，涵蓋了理論計算、合成策略以及光、電催化應用等方向，請問您還希望特刊中發表與SAC相關的哪些方面的優秀工作？

吳宇恩教授：

我其實特別希望看到一些有天馬行空的想法的文章能夠發表在我們這個專刊，只要是科學邏輯沒有問題，資料沒有問題。我特別希望看到有一些有新現象、新體系、新機理、新應用的文章能夠在單原子催化這個領域發表。目前這個領域我覺得同質化的研究太多，其實對這個學科的發展不是很有利。單原子催化這個領域在過去的十年當中非常熱，也是研究的熱點，但是過多的同質化研究只會讓其他領域的研究人員覺得我們有灌水之嫌，而並沒有推動這個領域的發展，這個學科的進步，所以我特別希望能夠看到一些具有原創性思維的工作能夠發表。我想只有所有的科研人員都把標籤性的工作作為他們奮鬥的目標，那麼這個領域才能夠更加健康穩定的發展下去。以上我說的這些都是我個人的看法，肯定有很多不正確以及不全面的地方，希望所有的研究同仁們都能夠一起來討論批評。

作者介紹

吳宇恩

教授

吳宇恩，現為中國科學技術大學應用化學系教授，博士生導師，教育部長江特聘教授。2009年本科畢業於清華大學化學系。2014年在清華大學化學系獲得博士學位，師從李亞棟院士。2014年9月至今在中國科學技術大學化學系工作。擔任國際重要期刊Science Bulletin（國際Q1區） 副主編，Science China Materials（國際Q1區） 編委，Small methods客座編輯， 無機化學學報青年編委，高等化學學報等，內燃機協會燃料電池分會委員。主持優青、青年拔尖等專案，受聘為科技部重點研發計劃首席科學家。曾獲中國化學會奈米新銳獎、中國化學會青年化學獎、霍英東青年教師獎等。

個人主頁：http：//staff。ustc。edu。cn/~yuenwu

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