科研进展
科研进展
激光赋能“缺陷工程”，锚定单原子与高效催化
【背景介绍】
当前，全球能源结构正向低碳化转型，催化材料的研发经历着从“纳米工程”向“原子制造”的转变。原子级分散催化剂作为一种新型高效催化材料，因其独特的几何和电子性质、最高的原子利用率以及均一的活性位点，展示了在能源催化和环境治理等领域的巨大应用潜力。然而，金属单原子的制备和稳定性仍面临一系列挑战。传统的催化剂制备方法，如气相沉积、湿化学方法以及高温热解等，都存在不同程度的制备周期长、能耗高、金属原子团聚等问题，这些问题限制了催化剂的大规模应用。
近年来，激光超快合成方法因其快速加热和瞬时淬冷的特性，成为一种新兴的催化材料合成策略。相比传统方法，激光超快合成方法能够高效避免金属原子的团聚，保持原子级分散的稳定性，并且具有较强的可扩展性和适应性。因此，激光超快合成原子级分散催化剂的研究，不仅推动了催化材料领域的技术进步，也为解决能源、环境等领域的重大挑战提供了创新的解决方案。
中国科学院宁波材料所刘铸研究员团队总结了激光合成原子级分散催化剂的研究进展，系统分析激光合成方法、激光诱导缺陷工程、原子形成和锚定、催化性能及性能提升的内在机理，探讨激光合成原子级分散催化剂面临的挑战及未来的研究方向。
【关键技术进展】
原子级分散催化材料的激光合成方法包括激光液相合成、激光气相烧蚀、激光固相合成、激光辅助或复合其他技术合成。其中，激光液相合成法和固相合成法是合成原子级分散材料的两种主流方法。
（1）激光液相合成方法
激光液相合成是一种基于激光与液相体系中金属靶材或前驱体的相互作用，通过激光的光热、光化学效应以及液相限域，实现金属原子的生成、分散与锚定，最终形成原子级分散催化材料的技术。激光液相合成方法的核心原理在于“快速加热-瞬时淬冷-液相限域”的协同作用。
激光液相合成技术主要分为激光液相烧蚀合成法和激光液相辐照诱导合成法，可实现单原子、双原子、高熵单原子等原子级分散催化材料的制备。
激光液相烧蚀通过高能激光轰击液体中的金属靶材，使靶材气化形成等离子体，经淬冷后金属原子嵌入靶材晶格，形成Au1Ru、Pt1Mo等单原子合金，在析氢、全解水反应中展现出远超商业催化剂的活性与稳定性[图1（a）]。
激光液相辐照是激光辐照含金属前驱体与载体的悬浮物，在碳纳米管、MXene等载体上诱导缺陷形成的同时还原金属，并通过配位键锚定孤立原子，制备出单原子、双原子及高熵单原子等催化剂[图1（b）]。
通过激光液相合成方法制备的原子级分散催化剂已经应用于析氧、硝酸盐还原、全pH电解水等多元催化反应场景，彰显出极强的材料拓展能力。
图1 激光液相合成原子级分散催化剂。（a）激光液相烧蚀合成Au1Ru单原子合金；（b）激光液相辐照合成PtIrCuNiCo 高熵单原子
激光液相合成技术具有材料制备多元化、结构调控精准、产物分散均匀、载体适配广泛等优点，但当前仍面临金属原子载量低、规模化产率不足、反应机制认知有待深化等挑战，还需要开展更加深入的研究。
（2）激光固相合成方法
刘铸研究团队发明的激光固相合成技术，是在常温常压下，通过激光辐照吸附金属前驱体盐的固态载体，利用激光诱导的光热或光化学效应使前驱体热解/还原，并促使金属原子原位锚定于载体缺陷位点（如氧空位、氮掺杂等）而精准构筑原子级分散催化材料的先进技术。
该技术适用的载体体系包括但不限于碳材料（石墨烯、碳纳米管）、金属有机框架及其衍生物（如ZIF-8衍生氮掺杂碳）以及金属氧化物，其关键在于载体需具备可经激光调控的高密度缺陷以稳定锚定单原子。
研究团队的系统性创新工作证实了该技术的普适性与高效性：通过红外激光光热效应制备的Pt单原子催化剂（Pt SACs）展现出显著优于商业Pt/C的析氢性能（图2）；紫外激光光化学还原构建的Fe-N4活性位点使ORR半波电位达到0.91 V；紫外激光设计制备的双原子合金催化剂(PtRu)1Co DAAs表现出超100小时的HER稳定性；基于红外激光构建的“单原子-纳米岛-海”结构Pt1-In2O3/Co3O4-rGO催化剂在CO2加氢反应中实现高转化率-甲醇选择性-稳定性的协同显著提升。
图2 激光固相合成单原子Pt催化材料。（a）锚定在激光还原石墨烯上的pt单原子合成过程；（b）不同激光能量密度下的温度-时间曲线；（c）孤立Pt单原子的球差TEM图像
激光固相合成方法无需表面活性剂与复杂预处理，可通过调控激光波长、能量密度等参数精准调控载体缺陷与金属配位环境；兼容自支撑电极直接制造，具备“卷对卷”生产潜力，工艺简单、成本低、普适性强，为电催化与热催化领域提供兼具高活性、稳定性及经济性的原子级催化剂解决方案。
【总结与展望】
激光超快合成技术凭借“快速加热-瞬时淬冷”的核心机制，协同激光诱导的缺陷工程，能精准实现金属原子的分散与锚定，有效抑制原子团聚。目前主流的激光液相法、固相合成法各有优势。液相法产物均匀性高，固相法更易实现强金属-载体相互作用，可直接制备自支撑催化电极，适配“卷对卷”生产。同时，两种技术路线均能通过调控激光波长、脉宽等参数，精准构筑载体缺陷、优化原子配位环境，获得的原子级分散催化剂在电、光、热催化反应中的活性、选择性和稳定性均远超传统商业催化剂。
但是，激光超快合成原子级分散催化材料技术仍处于发展阶段，还面临金属原子载量偏低、长效稳定性待提升、合成机理尚未完全明晰等挑战。未来，需从载体设计、激光技术优化、理论模拟协同发力提升原子载量，通过“光场调控-限域稳定-动态适应”策略增强催化剂稳定性，结合AI技术挖掘激光参数与材料性能的关联，实现工艺智能优化。
此外，需要加快推进激光超快合成技术的设备研发与工艺放大，依托其一体化制造优势，突破传统催化剂生产工艺瓶颈，推动该技术在电解水制氢、燃料电池及CO2资源化利用等领域的工业化应用，为能源可持续发展和生态环境治理注入全新技术动能。
