General negative pressure annealing approach for creating ultra-high-loading single atom catalyst libraries

催化作用 金属 材料科学 退火(玻璃) X射线吸收精细结构 丙烷 甲醇 化学工程 化学 有机化学 冶金 光谱学 量子力学 工程类 物理
作者
Yi Wang,Chongao Li,Xiao Han,Jintao Bai,Xuejing Wang,Lirong Zheng,Chunxia Hong,Zhijun Li,Jinbo Bai,Kunyue Leng,Yue Lin,Yunteng Qu
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-50061-1
摘要

Abstract Catalyst systems populated by high-density single atoms are crucial for improving catalytic activity and selectivity, which can potentially maximize the industrial prospects of heterogeneous single-atom catalysts (SACs). However, achieving high-loading SACs with metal contents above 10 wt% remains challenging. Here we describe a general negative pressure annealing strategy to fabricate ultrahigh-loading SACs with metal contents up to 27.3–44.8 wt% for 13 different metals on a typical carbon nitride matrix. Furthermore, our approach enables the synthesis of high-entropy single-atom catalysts (HESACs) that exhibit the coexistence of multiple metal single atoms with high metal contents. In-situ aberration-corrected HAADF-STEM (AC-STEM) combined with ex-situ X-ray absorption fine structure (XAFS) demonstrate that the negative pressure annealing treatment accelerates the removal of anionic ligand in metal precursors and boosts the bonding of metal species with N defective sites, enabling the formation of dense N-coordinated metal sites. Increasing metal loading on a platinum (Pt) SAC to 41.8 wt% significantly enhances the activity of propane oxidation towards liquid products, including acetone, methanol, and acetic acid et al. This work presents a straightforward and universal approach for achieving many low-cost and high-density SACs for efficient catalytic transformations.
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