光诱导自由基介导的贵金属纳米粒子原子级分散

将贵重金属转变为超高效催化剂

像钯和铂这样的贵金属是许多现代技术的核心，从净化汽车尾气到制造药物和塑料。但这些金属稀少且昂贵，常规催化剂中的大量金属被锁在微小颗粒内部，无法发挥作用。这项研究描述了一种温和的光驱动方法，能够将这些颗粒解构为单个原子，显著提高每个贵金属原子的利用效率，并为升级甚至回收工业催化剂提供了一条更环保的途径。

为何打散金属颗粒很重要

传统催化剂通常在氧化物载体上使用分散的贵金属纳米颗粒。只有每个颗粒表面的原子参与反应；埋在内部的原子基本上被浪费。科学家长期追求“单原子催化剂”，使每个金属原子都暴露并锚定在载体上，从而最大化每个原子的性能。现有制备此类材料的方法通常需要高温、特殊气氛或复杂化学处理，这些方法能耗高、成本大且有时难以放大。若能有一种简单、低温的路径把现有的纳米颗粒催化剂转化为单原子形式，对工业界将极具吸引力。

以光作为温和的改造者

作者表明，紫外光可在常温常压下驱动这种转变。他们将负载在二氧化钛（TiO2）上的钯纳米颗粒分散在极稀的盐酸-乙腈溶液中，然后在室温下照射紫外光。照射前，电子显微镜清楚显示TiO2表面有聚集的钯颗粒。照射一小时后，这些颗粒在显微图像中消失，但化学分析表明钯仍存在，并已均匀分布在表面。能够“看见”单个原子的先进成像证实，金属已被转化为锚定在氧化物上的独立钯原子。追踪一氧化碳与表面结合方式的光谱测量也从颗粒的特征转向单原子的特征，支持了这一结构变化。

自由基承担主要功劳

为弄清这种光驱重构如何发生，研究者在照射过程中探测生成的化学物种，并进行了基于量子力学的计算模拟。当紫外光照射TiO2时，会产生高能电子和空穴，它们迁移到表面并与周围溶液反应。氧捕获电子生成超氧自由基，而乙腈和氯离子与空穴反应生成有机自由基和氯自由基。选择性猝灭这些短寿命物种的实验表明，氯自由基和超氧自由基对打破将钯原子束缚在纳米颗粒中的键都至关重要。模拟显示氯自由基首先附着到金属上，抽走电子密度并削弱钯—钯键；随后超氧进攻，溶液中的氯离子配位到游离的原子形成一种可移动的中间配合物。该配合物被带正电的TiO2表面静电吸引，在那里它脱去氯离子，并在有机自由基及邻近的氮和氧位点的帮助下，作为单个钯原子锁定在稳定的局部环境中。

从实验室机制到多用途工具

在阐明机制后，团队测试了该策略的适用范围。他们展示了类似的光处理不仅能将钯纳米颗粒转化为TiO2上的单原子，也能作用于铂和铑的纳米颗粒，并且该工艺同样适用于另一种氧化物载体——氧化钨（WO3）。通过传统化学还原制备的更大钯颗粒也可在较长时间的紫外照射下被分解。对实际应用最重要的是，商业的炭载钯催化剂甚至失活的工业废催化剂在与TiO2一起接受紫外处理后均被成功再生：钯变为原子级分散，且在一项标准加氢反应中的催化活性对商业材料提高了近18倍，对废料提高了26倍。这些升级后的催化剂在反复循环中也保持高活性，作者还证明该过程可以在连续流装置中进行，甚至可由阳光驱动。

通向更环保催化的一条简单途径

对非专业读者而言，关键信息是：将光照射到精心选择的混合体系上，可以在不需要高温或苛刻条件的情况下，将贵金属从团聚块重新组织为单独锚定的原子。这种光驱动的“去团聚”大大提高了每个昂贵金属原子的利用效率，并能为报废的工业催化剂注入新生。由于该方法适用于数种重要金属、不同载体和实际材料，它为化工和能源行业提供了一条有前景且更环保的路线，以实现更高效、更可持续的催化过程。

引用: Chen, X., Zhao, Q., Zhang, J. et al. Photoinduced radical-mediated atomic dispersion of noble metal nanoparticles. Nat Commun 17, 3934 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70742-3

关键词: 单原子催化剂, 光催化, 贵金属纳米粒子, 绿色化学, 催化剂再生