在化工生产中，催化剂就像“效率加速器”——但传统催化剂往往只能利用少量金属原子，大部分金属以颗粒形式“躺平”。单原子催化剂（SACs）则让金属原子“单打独斗”，理论上能100%利用金属，但最大的难题是：这些“独行侠”太活泼，容易聚集成团，失去催化优势。近日，我国南京工业大学团队找到一种“锁原子”的新招：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“成长烦恼”：原子太“皮”，容易“抱团”
单原子催化剂的魅力在于“原子级分散”——每个金属原子都是独立的活性中心，催化效率远超传统颗粒催化剂。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，变成普通金属颗粒，催化性能直线下降。传统制备方法要么需要高温高压、步骤繁琐，要么无法有效阻止原子团聚，限制了单原子催化剂的大规模应用。

纳米“小房间”：给锆原子造个“专属单间”
团队的灵感来自一种叫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”。但更关键的是，当SBA-15还保留模板剂（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）通过简单研磨塞进这些“小房间”，再高温煅烧——模板剂被烧掉，锆原子被牢牢“钉”在二氧化硅壁上，形成稳定的单原子结构。

实验结果：产率从19.8%飙升到63.3%
为验证效果，团队选择了一个典型的酯化反应——醋酸与苯甲醇反应生成苯乙酸苄酯（一种常用于化妆品和食品的茉莉花香味香料）。结果令人惊喜：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%。更难得的是，重复使用5次后，Zr₁@TOS的催化性能几乎不变，锆原子也没有团聚成颗粒。

秘密武器：“小房间”+“锚点”双保险
为什么纳米限域环境能“锁住”锆原子？团队通过实验和理论计算发现了两个关键：
一是纳米“小房间”的物理约束。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内，无法自由移动，从源头上避免了团聚。
二是二氧化硅壁上的“锚点”——硅羟基（Si-OH）。这些“锚点”像钩子，能与锆原子形成稳定的Zr-O-Si结构，就像用四根“绳子”把锆原子绑在墙上，确保其分散性和稳定性。

未来：给更多金属原子“建房子”
目前，团队已证实这种方法能高效制备锆单原子催化剂，未来还可能推广到镍、钴等其他金属。单原子催化剂在药物合成、燃料生产等领域有广泛应用，这种更简单、高效的制备方法，有望推动单原子催化剂从实验室走向工业应用。

从“管不住”到“锁得牢”，从“低效”到“高产”，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、更高效的新可能。

来源: 化学工程前沿FCSE