单原子催化剂具有最大化的原子利用率，并且具备有明确活性中心和易于分离的优点，被视为传统均相催化和多相催化的桥梁，近些年来引起广泛关注。其中，碳材料具有优异的电/热传导性，多变的配位环境，以碳材料作为载体制备的单原子催化剂在多种反应中表现出优异的催化性能。现在大部分工作主要集中在机理分析和结构调控，但是在实际应用中也需要低成本、规模化的合成方式。此外，工业应用催化剂需要具备一定强度的宏观成型结构，易于回收和利用，具有更好的传质和传热特性，因此能够以简单的方式实现块体单原子催化剂的制备也是促进其工业化应用的重要研究方向。

　　基于此，华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室余皓教授团队通过限域的拓扑生长策略，将泡沫镍、三聚氰胺、氯化铵置于限域的坩埚中，通过一锅煅烧的方式直接实现块体单原子催化剂的制备。该催化剂具有高机械强度的宏观结构，均匀的镍位点分布，作为独立支撑电极在二氧化碳电还原的应用中展现出优异的电化学性能。其中，拓扑转变实现碳载体继承了泡沫镍的框架结构，限域的生长环境使碳纤维更加紧密地相互交织增加了块体强度，氯化铵分解生成的氯化氢对镍颗粒的刻蚀促进了金属进一步均匀分散。我们采用限域的拓扑生长策略能够实现块体单原子催化剂的规模化制备，在工业应用中具有很好的应用前景。

图1：(a) 合成策略示意图，(b-k) 拓扑转变过程探究。

　　通过控制三聚氰胺用量来探究催化剂制备过程中泡沫镍的转变和碳载体的生长。可以发现催化剂在合成过程中，泡沫镍呈现拓扑转变，始终能够保持完整的框架结构，为制备块体的催化剂打下基础。同时泡沫镍表面粉化，三聚氰胺提供的碳氮源在镍颗粒的催化下生长氮掺杂碳纤维，为金属扩散和镍位点形成提供载体环境，这些特征为制备块体单原子催化剂提供了可能。

图2：催化剂机械强度、形貌结构、组成成分表征。

　　在限域条件下，我们得到了整体结构规整和强度更高的块体催化剂。通过抗压缩测试可看出限域拓扑生长策略制备的块体单原子催化剂具有优异的机械强度，形貌结构主要呈现为相互交织的碳纤维。通过XPS、球差电镜、同步辐射等表征，证明了镍元素以单位点形式分布。

图3：碳纤维生长和镍扩散研究。

　　碳纤维由粗到细的生长趋势直观地揭示了镍元素的扩散，直径变化率可以反映出在碳纤维生长过程中镍元素的扩散速率和催化剂中镍位点含量。我们也拟合了不同温度下制备的碳纤维直径变化率，探究温度对镍扩散影响。

　　该研究成果以“Topological Conversion of Nickel Foams to Monolithic Single-Atom Catalysts”为题发表于《Advanced Functional Materials》。论文第一作者为华南理工大学张海博士，通讯作者为华南理工大学王浩帆副教授和余皓教授。

　　原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202312939