具有高温稳定性的液态金属分散单原子催化剂

为什么热液体中的微小金属原子很重要

化工厂将石油和天然气中的简单分子转化为支撑现代生活的燃料和材料。许多步骤依赖于必须在高温下持续工作数天的金属催化剂。在这种条件下，现有的最佳催化剂会逐渐失效，浪费贵金属和能源。这项研究提出了一种巧妙的方法，通过将金属原子溶解到液态金属中，使单个金属原子保持分散和活性，从而在极端温度下仍能驱动关键反应。

金属凝聚的问题

许多前沿催化剂使用诸如铂这样的“单原子”，每个原子都像一个微小而高效的反应工厂。由于每个原子都暴露出来，这类催化剂既高效又经济。问题在于，孤立原子在高温下不稳定：它们会在表面迁移并凝聚成更大的颗粒，这一过程称为烧结。一旦发生，原有的特殊活性大幅丧失。传统设计尝试将这些原子固定在氧化物或多孔晶体等固体载体上，但键合既要足够强以阻止移动，又不能强到抑制原子的活性——这种平衡很难实现。

单原子的液态宿主

受“相似相溶”理念启发，作者使用液态金属镓作为活性金属（如铂）的流动宿主。在高操作温度下，置于镓上的铂颗粒会解体：相邻铂原子之间的键被打破，单个铂原子被镓原子包围。由于镓与铂之间具有很强的相互吸引，这些单原子得以保持分散，形成微小的混合簇而不是更大的铂块。原子尺度的计算机模拟表明，这种分散态不仅可以实现，而且在能量上是有利的，铂原子在液体中迁移时大多保持彼此隔离。

在液体中观测单个原子

证明原子在液体中保持分散具有挑战性。研究团队结合了多种先进探测手段来构建一致的证据。电子显微镜和元素分布映射显示铂在液态镓中分布均匀，没有明显的凝块。对规则原子间距敏感的X射线衍射与配对分布分析未能检测到典型的大颗粒铂–铂距离。相反，X射线吸收测量揭示了对应铂–镓邻域的新键长，证实铂以单原子形式存在并与液态金属环境中的镓结合，而非作为金属晶粒存在。

对液态催化剂进行实测

为了展示在实际反应中的实用性，研究者选择了乙烷脱氢这一重要的工业步骤，将天然气中的乙烷转化为乙烯——乙烯是塑料和众多化学品的基础原料。他们将铂‑镓液体装载到固体沸石的孔隙中，制备出一种复合材料，使液体表面与流动气体接触。在这种装置中，液体表面的铂原子活化乙烷中的碳–氢键，释放氢气并生成乙烯。由于液体具有流动性，新鲜的单原子会不断移动到表面，而强烈的铂–镓相互作用则防止它们在650 °C下合并成更大的颗粒。与传统的铂/沸石催化剂相比，该液态体系使乙烷转化几乎提高了一倍，且乙烯选择性提升到约98%。

在恶劣条件下保持强劲

最引人注目的结果是该催化剂的耐久性。在650 °C下连续运行超过100小时，液态金属体系保持了几乎恒定的活性和选择性，未出现明显失活的迹象。长期运行后的后续结构测量显示铂仍然以原子级分散状态存在，与新鲜催化剂一致。相同策略对另一种贵金属铑也适用，暗示该方法具有广泛的适用性。通过利用液态金属的天然亲和力和流动性以保持单原子分散，作者提出了一条实用途径，可用于高温催化，减少贵金属浪费，使大规模化学制造更清洁、更高效。

引用: Zeng, Z., Wang, C., Sun, M. et al. Liquid metal dispersed single-atom catalyst with high-temperature stability. Nat Commun 17, 3918 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70476-2

关键词: 单原子催化剂, 液态金属, 铂‑镓, 乙烷脱氢, 高温催化