催化是化学工业的核心之一，深刻影响了现代社会与科技的发展。近年来，单原子催化（single-atom catalysts, SACs）引起了学界和业界的广泛关注。在制造高密度SACs时，单原子容易聚集成团簇，导致制造效率和稳定性偏低，如何抑制团簇的形成是制造高密度SACs的主要挑战之一。

近期，力学所与德国马普高分子所、浙江大学、江苏大学、爱沙尼亚塔尔图大学的研究人员合作提出了一种新方法——通过气压控制金属扩散来制造超高密度SACs（图1）。该研究成果为制造高密度单原子催化剂提供了新思路，也为未来挑战物质科学极限、实现原子级精准制造奠定了基础。该项工作以“Single-Atom Catalysts through Pressure-Controlled Metal Diffusion”为题发表于Journal of the American Chemical Society（146:19886-19895, 2024）。

单原子催化是一种更精细地控制化学反应的技术，通过使用单个金属原子作为发生催化的活性位点，大幅提升金属原子的利用效率和催化反应活性。研究发现，降低气压显著抑制了金属原子的团簇，使单原子负载量几乎是在大气压下获得的三倍。研究人员使用分子动力学和计算流体力学模拟，揭示了气压变化调控单金属原子和团簇形成的机理：通过减小气压，增大气体分子的平均自由程，可降低金属团簇概率，同时提高金属-配体结合概率，最大化单金属原子的形成。最后通过电催化氧还原反应验证了该方法的稳定性，并首次在单个铜原子上实现了乌尔曼型碳氧偶联反应，拓展了单原子催化的应用场景。

研究获得了中国力学学会青年人才蓄水池和中国科学院项目（025GJHZ2022023MI）的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c03066

图1 通过气压控制金属扩散制造单原子催化剂