開發兼具優異催化性能與高效金屬利用效率的單原子催化劑（SAC）是當前催化領域的研究熱點。為實現高效催化，關鍵在于精準調控SAC活性位點的配位微環境并確保其充分暴露于反應物體系，這一目標的實現仍面臨挑戰。本工作提出了誘導交聯-配位組裝技術制備共軛配位聚合物氣凝膠材料的新策略，其充分發揮了共軛配位聚合物材料和氣凝膠材料的結構優勢。一方面，精準設計金屬原子的種類和共軛有機配體的官能團/共軛結構，可實現共軛配位聚合物氣凝膠催化劑中金屬單原子活性位點配位結構的精準調控；另一方面，共軛配位聚合物氣凝膠催化劑具有多級孔結構，可充分暴露金屬單原子活性位點，并利用孔富集效應來提高金屬單原子活性位點表面的局部反應物濃度，從而實現催化反應動力學的提升。該策略具有良好的普適性，可成功合成以鎳、銅，鋅等金屬單原子為活性中心的共軛配位聚合物氣凝膠，有望為開發高性能的金屬單原子催化劑提供有益借鑒。
背景介紹
面對日益嚴峻的全球能源和環境挑戰，推進可再生清潔能源的利用迫在眉睫。電催化技術用于高效轉換/儲存可再生清潔能源被認為是最有前景的途徑之一。開發低成本、高性能的電催化劑對加速催化反應動力學具有重要意義。金屬單原子催化劑，因其具有金屬原子利用率高、電子結構和活性位點可精準設計等優點，在很多催化反應中展現出優異的性能，具有巨大的應用潛力。其中，作為一類金屬單原子催化劑，共軛配位聚合物的分子結構可通過調節金屬和共軛配體種類進行精準設計，以靈活改變其金屬活性位點的電子結構及其對催化反應中間體的吸附/脫附行為，進而對催化反應動力學產生重要影響。然而，共軛配位聚合物材料容易發生團聚，會嚴重降低其金屬活性位點的可及性，進而降低其催化性能。
本文亮點
1. 本工作提出了誘導交聯-配位組裝技術制備共軛配位聚合物氣凝膠材料的新策略，其充分發揮了共軛配位聚合物材料和氣凝膠材料的結構優勢。
2. 使用高前驅體濃度策略可以很容易地制備具有高密度單原子金屬（13-15 wt%）（如Ni、Cu、Zn等）的CCPA催化劑，該策略可以同時允許CCP顆粒生長和多孔氣凝膠形成。
3. 將Ni-CCPA應用于堿性OER，與非氣凝膠Ni-CCP相比，Ni-CCPA表現出更優異的堿性OER性能和更快的堿性OER動力學。
4. 本文結合一系列實驗表征與理論模擬結果證明，與Ni-CCP相比，Ni-CCPA具有多級孔結構，可充分暴露金屬單原子活性位點，并利用孔富集效應來提高金屬單原子活性位點表面的局部反應物濃度，從而實現催化反應動力學的提升。
論文DOI：10.1002/adma.202420565
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