一周两篇顶刊！王定胜团队单原子催化再获新成果！

人物介绍

王定胜，清华大学化学系，副教授。工作履历：2009.07-2012.06，清华大学物理系，博士后；2012.07-2012.12，清华大学化学系，讲师；2012.12-至今，清华大学化学系，副教授。

奖励与荣誉：2013年获国家优秀青年基金；2012年获全国百篇优秀博士论文奖；2012年清华大学优秀博士后；2009年清华大学优秀博士学位论文；2009年清华大学学术新秀。研究领域：（1）纳米材料制备与性能；（2）金属纳米催化。

近日，在2021年11月2日和11月8日（恰好一周），该团队与其他课题组合作分别在J. Am. Chem. Soc.（IF=15.419）和Nano Letter（IF=11.189）发表了最新成果。下面，对这两篇成果进行简要的介绍，以供大家学习和了解！

王定胜&梁敏敏JACS：首次报道！单原子Pt纳米催化剂助力人工酶

虽然人工酶工程取得了很大进展，但是其催化性能作为天然酶的替代品还远远不能满足实际需求。基于此，清华大学王定胜副教授和北京理工大学梁敏敏教授（共同通讯作者）等人报道了一种新颖而有效的策略，即通过逆转热烧结过程将铂纳米颗粒（Pt NPs）直接雾化成单原子，从而获得热稳定的高性能Pt单原子纳米酶（Pt_TS-SAzyme）。将Pt NPs原子化为单原子使金属催化位点充分暴露，并且产生可调控的原子结构和电子性质，从而显著提高酶的性能。

实验测试发现，所制备的热稳定Pt单原子纳米酶（Pt_TS-SAzyme）表现出显著的类过氧化物酶催化活性和动力学，远远超过了Pt纳米颗粒纳米酶。通过密度泛函理论（DFT）计算表明，经过改造的P和S原子不仅促进了从Pt NPs到Pt_TS-SAzyme的原子化过程，而且由于P原子的给电子性以及N和S原子的吸电子性，使得单原子Pt催化位点具有独特的电子结构，有助于大幅提高Pt_TS-SAzyme的类酶催化性能。该工作表明，将金属纳米颗粒热原子化为单原子纳米酶是构建高性能纳米酶的有效策略，为合理设计和优化模拟天然酶开辟了一条新途径。

图文速递

图1. Pt_TS-SAzyme的合成和结构表征

图2.Pt_TS-SAzyme的原子结构分析

图3.Pt_TS-SAzyme 的类过氧化物酶催化活性

图4.PtN₃PS-SAzyme催化反应机理的DFT研究

图5.Pt_TS-SAzyme 的抗菌效果

总结展望

作者首次报道了通过逆转烧结过程将Pt NPs直接转化为 Pt单原子以获得高性能Pt单原子纳米酶（Pt_TS-SAzyme）。所制备的Pt_TS-SAzyme表现出优异的类过氧化物酶活性，远高于基于Pt NPs的纳米酶。通过AC HAADF-STEM和XAFS表征以及DFT计算表明，Pt、N、P和S原子对Pt_TS-SAzyme独特的Pt₁-N₃PS活性部分的协同作用有助于显著提高其催化活性和动力学。该工作表明，将基于金属 NPs的纳米酶热解成SAzymes是提高其酶促性能的有效策略，从而为高性能人工酶的设计和工程化提供了一种新方法，以促进人工酶对天然酶的替代。

Thermal Atomization of Platinum Nanoparticles into Single Atoms: An Effective Strategy for Engineering High-Performance Nanozymes.J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c08581.

https://doi.org/10.1021/jacs.1c08581.

王定胜&苏陈良&翟冬Nano Lett.：中空多孔碳胶囊中的孤立单原子Ni-N5催化位点用于高效Li-S电池

锂硫（Li-S）电池面临多种复杂且经常交织的问题，例如硫和Li2S/Li2S2的低电子导电性、穿梭效应以及多硫化锂（LiPSs）的缓慢电化学动力学。基于此，清华大学王定胜副教授、深圳大学苏陈良教授和山东大学翟冬助力研究员（共同通讯作者）等人报道了一种具有最佳Ni-N5活性部分的中空氮掺多孔碳（Ni-N5/HNPC）的孤立单原子Ni的多功能催化剂，并作为硫阴极的理想主体。

研究发现，主体提高了导电性，增强了对LiPSs的物理-化学双重限制能力，更重要的是通过Ni-N₅活性部分促进了氧化还原反应动力学。因此，所制备的Ni-N₅/HNPC可作为Li-S电池的理想硫阴极，并且Ni-N₅/HNPC/S阴极具有优异的倍率性能（在4 C倍率下的平均比容量为684 mAh g-1）、长期循环稳定性（在500次循环后，每循环的容量衰减率为0.053%）。

此外，Li-S电池在高硫负载下的良好面积容量，在硫负载高达5.1 mg cm^-2的情况下，进行80次循环后的面积容量保持在4.0 mAh cm^-2左右，因为对Li-S电池增强的物理-化学双重限制能力，随着单原子Ni-N₅催化位点的引入，氧化还原反应动力学得到改善。该工作强调了活性位点配位数在单原子催化剂中的重要作用，并为设计高性能Li-S电池的单原子活性位点空心纳米结构提供了一种策略。

图文速递

图1.Ni-N₅/C的计算设计

图2.催化剂的制备和表征

图3.XPS和XAFS分析

图4.Li-S电池的电化学行为

图5.电化学测量和理论计算

总结展望

基于DFT计算，单原子Ni-N_x/C催化剂的硫还原性能和LiPs的吸附容量可以通过N的配位数来调节，具有较低动力学势垒和中等吸附强度的Ni-N₅/C部分是电池电极的最佳候选物。在理论模拟的指导下，作者开发了一种自模板策略来制备负载在HNPC上的Ni-N₅/C活性部分的催化剂。所制备的Ni-N₅/HNPC是硫阴极的理想主体，同时能够有效限制LiPSs并通过催化改善氧化还原转化动力学。

因此，锂离子电池在高硫负载下表现出优异的倍率性能、长期循环稳定性和良好的面积容量。该工作提供了对Ni-N_x/C单原子催化剂（SACs）中活性中心配位数与Li-S阴极性能之间关系的科学理解的详细更新，也为合理设计具有独特纳米结构的高性能Li-S阴极提供了有用的策略。

Isolated Single-Atom Ni-N₅ Catalytic Site in Hollow Porous Carbon Capsules for Efficient Lithium-Sulfur Batteries. Nano Lett., 2021, DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03499.

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03499.

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一周两篇顶刊！王定胜团队单原子催化再获新成果！

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