突破性聚合物方法捕獲并穩定單原子，助力更清潔的催化反應

一項新的聚合物平臺技術能將單個金屬原子鎖定在精確位置，從而提升穩定性并實現更清潔的催化反應。

科學家們在逐原子構建催化劑方面取得了重大進展，實現了前所未有的精準控制。單原子催化劑常被譽為未來更清潔、更高效化學反應的希望。然而，讓它們在低溫實驗室之外發揮作用，一直是一項重大的工程和材料挑戰。溫度一旦升高，原子就容易團聚成簇；而將它們置于精確設計的化學環境中，也幾乎是不可能完成的任務。

如今，一個由意大利、日本和瑞士研究人員組成的國際團隊展示了一種突破性的方法，可同時克服這兩個障礙。科學家們利用原子分辨率掃描探針顯微鏡引導的表面合成技術，創建了一維有機聚合物，該聚合物能選擇性地將金屬原子錨定在統一設計的配位點上。其結果是獲得了一種可調節的分子級結構，其行為類似合成酶支架——只是控制精度更高。

設計的原子級精度

據研究團隊稱，這是首次制造出具有周期性側延伸結構的聚合物基材料，該結構專門設計用于將單個原子結合在可重復的位置上。該平臺堅固耐用、可定制，并且旨在讓每個金屬原子都暴露于反應物之中，這是實現最大催化活性的關鍵要求。

主要作者馬爾科·迪·喬瓦納托尼奧博士清晰地闡述了研究動機："為了實現最大的催化效率，我們必須確保催化劑中的每個原子都能被試劑接觸到——這在塊體材料或原子簇中是不可能的，因為內部的原子會被隱藏。"他補充道，自然界已經通過酶的活性位點解決了這個問題，并指出："我們的方法通過將金屬原子隔離在聚合物鏈上均勻的位點中，且具有出色的穩定性（甚至在室溫以上），為開發近乎酶活性的催化劑開辟了一條新途徑。"該團隊還強調了該結構的適應性，可根據目標反應支持不同的金屬和配體。

更強的鍵合行為

一項并行理論研究探討了這些聚合物結合的單原子如何與關鍵工業氣體相互作用。研究結果令人矚目：相比其他常見的催化劑框架，該結構對一氧化碳、氧氣和氫氣的結合能力要強得多。這種增強的反應活性為研究重要工業過程背后的機理提供了可能，特別是那些需要選擇性穩定反應中間體的過程。

一個直接的關注領域是二氧化碳轉化，單原子催化劑可以更高精度、更低能耗地將二氧化碳導向更有價值的化學產物。

這一概念性飛躍超越了催化領域本身。正如成田明光教授所指出的："這項工作不僅為構建具有原子級明確反應中心的單原子催化劑引入了一種新策略，而且為合理設計用于未來各種應用的有機金屬納米材料奠定了基礎。"

研究人員表示，這種最終能防止原子團聚、可在室溫以上工作并能逐個位點進行設計的結構，可能會加速下一代催化技術的發展，包括更清潔的燃料、更綠色的化學合成以及更高效的工業轉化途徑。

該團隊的研究結果和方法細節已發表在《自然-通訊》期刊上。

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