单原子催化剂，这种让金属原子“单打独斗”的催化材料，因能100%利用金属原子、催化活性强，被称为“催化界的精兵”。但它们有个“致命弱点”——金属原子太活泼，容易“抱团”成颗粒，失去单原子的优势。近日，我国南京工业大学团队找到了一种“关住”锆原子的新方法：利用纳米级的“小房间”（纳米限域环境），成功制备出高稳定性的锆单原子催化剂，其催化酯化反应的产率比传统方法高出2倍多。

单原子催化剂的“痛点”：原子太活泼，容易“抱团”
单原子催化剂的核心是让金属原子以单个形式分散在载体上。但金属原子就像一群好动的孩子，若没有“约束”，很容易聚集成团，变成普通的金属颗粒，催化效率大幅下降。传统制备方法要么需要高温高压，要么步骤复杂，难以高效“锁住”单原子。

纳米“小房间”：给锆原子造个“单间”
团队盯上了一种叫SBA-15的介孔二氧化硅材料。这种材料有规则的纳米级孔道，像一块“纳米海绵”。有趣的是，在未去除模板剂（一种辅助形成孔道的物质）时，模板剂和二氧化硅壁之间会形成纳米级的“小房间”（纳米限域环境）。团队将锆前驱体（含锆的化合物）通过研磨塞进这些“小房间”，再一烧——模板剂被除掉，锆原子被牢牢“钉”在二氧化硅壁上，形成单原子结构。

实验验证：催化产率从19.8%跳到63.3%
为测试效果，团队选了一个常见的酯化反应——醋酸和苯甲醇反应生成苯乙酸苄酯（一种有茉莉花香味的香料）。结果显示，用纳米限域环境制备的锆单原子催化剂（Zr₁@TOS），产率高达63.3%；而用传统方法（直接在无模板剂的二氧化硅上负载锆）得到的催化剂（Zr@TFS），产率仅19.8%。更厉害的是，重复使用5次后，Zr₁@TOS的催化性能几乎没下降，锆原子也没“抱团”。

为什么这么强？“小房间”+“锚点”双保险
秘密藏在两个关键点：
一是纳米“小房间”的约束。就像把好动的孩子关进独立小房间，锆前驱体被限制在纳米空间里，无法自由移动，避免了团聚。
二是二氧化硅壁上的“锚点”——硅羟基（Si-OH）。这些“锚点”像钩子，能牢牢抓住锆原子，形成稳定的Zr-O-Si结构。实验和理论计算都证实，锆原子通过四个氧原子与二氧化硅壁连接，就像被四根“绳子”绑住，稳稳当当。

未来：给更多金属原子“建房间”
目前，团队已验证这种方法能高效制备锆单原子催化剂，未来还可能推广到其他金属（如镍、钴等）。单原子催化剂在化工、能源等领域有广泛应用，比如合成药物、生产燃料。这种更简单、高效的制备方法，或许能让单原子催化剂从实验室走向工业应用更近一步。

从“管不住”到“关得牢”，从“效率低”到“产率高”，纳米限域环境就像给单原子催化剂造了间“安全屋”。或许不久的将来，这种“小房间”里的催化技术，会为化工生产带来更绿色、高效的新选择。

来源: 化学工程前沿FCS