单原子催化剂：性能·制备·应用

本书以单原子催化剂的制备、性能表征及催化应用为主线，主要介绍了单原子催化及其发展历程、单原子催化剂合成技术及其现场原位表征、非贵金属和贵金属单原子催化剂及其在CO2化学利用中的应用，涵盖了单原子催化的基础理论和最新研究进展。此外，还详细介绍了多种合成方法和先进表征技术，并结合丰富的实验案例，旨在为催化化学领域的研究人员提供系统的理论知识和前沿的研究方法，推动单原子催化技术的创新与发展，助力实现可持续化学合成的目标。
本书具有内容系统全面、理论与实践紧密结合、前沿性与实用性兼具的特色，可供催化化学领域的科研人员和技术人员参考，也可供高等学校材料科学与工程、化学工程与工艺及相关专业师生参阅。

在当今化学、能源与材料科学的交叉领域中，单原子催化剂兼具明确的活性位结构、100%原子利用率、桥连非均相和均相催化等优势，已经成为当前研究领域的热点和前沿。
本书旨在全面介绍单原子催化剂的性能、制备与应用，系统地整合单原子催化领域的最新研究成果。单原子催化剂作为一类新型催化剂，因其独特的结构与性能在催化领域展现了巨大的应用潜力与应用价值。全书基础理论知识与丰富实验案例相互融合，系统介绍单原子催化剂的制备技术、性能表征及相关催化应用。全书共7章，第1章主要内容涉及单原子催化剂的概念、发展历程、分类及特性、工业应用与前景；第2章主要内容涉及单原子催化剂合成技术，包括湿化学法、原子层沉积法、火焰喷雾热解法、水热法、空间限域法、固相法等,并结合相关案例介绍各方法的特点、挑战与展望；第3章主要内容涉及单原子催化剂表征技术，包括扫描透射电子显微镜、X射线吸收光谱、红外光谱和穆斯堡尔谱技术及其原位测试的应用、优势与局限；第4章主要内容涉及非贵金属单原子催化剂（铁基、钴基、镍基、铜基、锌基和钼基单原子催化剂）的制备、表征及催化应用的研究进展；第5章主要内容涉及贵金属单原子催化剂（铂基、钯基、铑基、钌基、铱基和金基单原子催化剂）的制备、表征及催化应用的研究进展；第6章主要内容涉及单原子催化剂在CO2化学利用中的应用；第7章主要内容涉及单原子催化剂发展挑战及未来发展方向，对未来研究发展方向提出建议。本书具有内容系统全面、理论与实践紧密结合、前沿性与实用性兼具的特色，可为读者提供一个清晰、完整且结构化的知识框架，帮助读者掌握单原子催化领域的核心内容和国内外研究进展，旨在为催化化学领域的研究人员提供系统的理论知识和前沿的研究方法，推动单原子催化技术的创新与发展，助力实现可持续化学合成的目标。
本书由黄鑫著。感谢山西大学化学化工学院为本书的出版所给予的支持。
限于著者水平及撰写时间，书中不足和疏漏之处在所难免，敬请读者提出修改意见。

黄鑫
2025年5月

第1章概论001
1.1概述002
1.1.1单原子催化003
1.1.2单原子催化的发展历程003
1.2单原子催化剂及其性质009
1.2.1单原子催化剂009
1.2.2单原子合金催化剂012
1.2.3双原子催化剂013
1.2.4单原子纳米岛催化剂016
1.2.5局部配位环境的影响018
1.2.6桥连均相和非均相催化反应020
1.3单原子催化剂应用与前景022
参考文献023

第2章单原子催化剂合成技术028
2.1概述029
2.2湿化学法030
2.3原子层沉积法033
2.3.1原子层沉积基本原理033
2.3.2催化剂制备及其催化应用034
2.4火焰喷雾热解法037
2.4.1火焰喷雾热解基本原理037
2.4.2催化剂制备及其催化应用038
2.5水热法043
2.6空间限域法045
2.6.1金属有机骨架限域法045
2.6.2共价有机骨架限域法048
2.6.3分子筛骨架限域法049
2.7固相法051
2.7.1高温煅烧法051
2.7.2球磨法052
参考文献055

第3章单原子催化剂表征技术063
3.1高角度环形暗场扫描透射电子显微镜及其in situ/operando表征064
3.2X射线吸收谱及其in situ/operando表征067
3.2.1X射线吸收近边结构谱068
3.2.2扩展X射线吸收精细结构谱068
3.2.3In situ/operando表征069
3.2.4扩展X射线吸收精细结构谱表征单原子催化剂的局限性071
3.3原位CO漫反射傅里叶变换红外光谱071
3.4穆斯堡尔谱及其in situ/operando表征073
参考文献076

第4章非贵金属单原子催化剂079
4.1铁基单原子催化剂制备、表征及评价080
4.1.1甲烷无氧直接转化080
4.1.2氧还原反应083
4.1.3其他催化反应086
4.2钴基单原子催化剂制备、表征及评价087
4.2.1丙烷无氧脱氢制丙烯087
4.2.2析氢反应090
4.3镍基单原子催化剂制备、表征及评价092
4.4铜基单原子催化剂制备、表征及评价095
4.5锌基单原子催化剂制备、表征及评价098
4.6钼基单原子催化剂制备、表征及评价099
参考文献102

第5章贵金属单原子催化剂109
5.1铂基单原子催化剂制备、表征及评价110
5.1.1CO氧化反应111
5.1.2水汽变换反应113
5.1.3甲烷无氧直接活化114
5.1.4丙烷无氧脱氢制丙烯116
5.1.5其他催化反应118
5.2钯基单原子催化剂制备、表征及评价120
5.2.1甲烷催化燃烧反应120
5.2.2炔烃半加氢反应122
5.2.3其他催化反应123
5.3铑基单原子催化剂制备、表征及评价124
5.3.1氢甲酰化反应125
5.3.2CO2加氢反应127
5.3.3其他催化反应129
5.4钌基单原子催化剂制备、表征及评价130
5.4.1合成氨反应130
5.4.2其他催化反应131
5.5铱基单原子催化剂制备、表征及评价134
5.6金基单原子催化剂制备、表征及评价136
参考文献139

第6章单原子催化剂在CO2化学利用中的应用146
6.1概述147
6.2甲烷二氧化碳重整反应147
6.2.1镍基单原子催化剂148
6.2.2铂基单原子催化剂152
6.3CO2甲烷化反应153
6.4CO2加氢制甲醇反应154
6.5CO2电催化还原反应157
6.5.1CO2电催化还原制CO157
6.5.2CO2电催化还原制甲酸159
6.5.3CO2电催化还原制甲醇160
6.5.4CO2电催化还原制CH4162
6.5.5CO2电催化还原制C2+产物163
参考文献169

第7章单原子催化剂发展挑战及未来发展方向174
7.1单原子催化剂研究面临的挑战和机遇175
7.1.1单原子催化剂的稳定策略175
7.1.2高负载量单原子催化剂的合成178
7.1.3单原子催化剂的普适性合成策略180
7.1.4单原子催化剂的规模化制备183
7.2对未来研究的建议185
7.2.1单原子催化剂制备185
7.2.2单原子催化剂表征186
7.2.3单原子催化剂的催化应用186
参考文献187