摘要
单原子催化剂因为兼具均相催化剂和非均相催化剂的优点而被认为是均相和非均相催化之间的桥梁。其中碳基单原子催化剂因为具有良好的导电性以及可方便调节的活性中心在电催化反应中应用广泛。为了研究单原子催化剂，科研人员发展了多种单原子催化剂合成方法，然而这些方法的普适性不强。发展一种具有广泛普适性的单原子催化剂合成方法对于更系统地研究单原子催化剂具有重要意义。因此，本论文采用配体辅助的策略发展出一种普适性的单原子催化剂合成方法，并研究了其电催化二氧化碳还原性能。 1)本论文以邻菲罗啉为配体、炭黑为载体，将过渡金属离子与邻菲罗啉络合后浸渍负载于炭黑表面，随后在较低温度下煅烧形成过渡金属单原子催化剂，获得了九种过渡金属单原子催化剂，成功发展出了一种普适性强的单原子催化剂合成方法，能够将单原子催化剂金属负载量提高至5％以上，并且该方法可大规模生产。通过球差校正透射电子显微镜(HAADF-STEM)和拓展X射线吸收谱(EXAFS)表征证明了过渡金属呈单原子分散于炭黑表面，EXAFS拟合结果表明所合成的过渡金属单原子催化剂过渡金属原子与4个氮原子配位形成MN4的活性中心。 2)所合成的镍单原子催化剂表现出了优异的电催化二氧化碳还原性能，在-1.2V时产物中一氧化碳法拉第效率高达98.9％，并且在很宽的电压范围内法拉第效率均能保持90％以上。并且，发现不同金属单原子催化剂电催化二氧化碳还原性能表现出火山型规律，镍单原子催化剂位于火山型曲线的顶点。 本工作发展了一种普适性强的碳基单原子催化剂合成方法，并且该方法可大规模生产(一次可合成1.6kg)，所合成的镍单原子催化剂具有优异的电催化二氧化碳还原性能，所合成的多种过渡金属单原子催化剂有望在电催化有机合成等众多重要的催化反应中获得广泛的应用。
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