团簇催化剂：原子团簇简介及其在电催化中的应用

化学界通常充斥着复杂的方程式和抽象的概念，催化就是这样一个概念。它可能会让您疑惑：当催化剂加速反应时，幕后究竟发生了什么？虽然教科书可能会将催化剂定义为：“任何降低反应活化能的物质”，但它并不一定能描绘出一幅美丽的画面。它几乎无法捕捉到反应物和催化剂之间复杂的互动，以引导它们转化为产物。

过渡态理论是一个强大的工具，它揭示了催化剂的真正魔力。想象一下一个反应物分子，分子 A 在成为产品 B 的旅程中需要克服一个能量障碍，即过渡态。克服这个障碍的难易程度决定了反应的速率。催化剂能够改变分子 A，使其开始转化为产品 B，加快反应速度！

催化剂无处不在：在我们的身体中，催化剂作为蛋白质帮助分解毒素或形成肌肉；在植物中，催化剂利用阳光产生糖分；在化学工业中，催化剂为我们提供塑造世界所需的材料和技术，为我们提供住所，保障我们的安全和健康，并为我们提供生存和繁荣所需的能量。

PART.1   更可持续的催化工艺

寻找更好、更便宜、更可持续的催化剂一直是科学研究的前沿，但这一问题从未像现在这样紧迫。我们不断增长的能源需求（由化石燃料推动）引发了气候变化，大气中的二氧化碳浓度从 280 ppm（浓度单位）飙升至 400 ppm 以上，温度上升超过 1°C，并可能产生后果[1,2,3,4]。

此外，我们的海洋污染越来越严重，我们每年倾倒 500 万至 1000 万吨塑料（相当于 20,000 架空客 A380 的重量）[5] 。我们如何才能创建一个真正可持续发展的社会？

PART.2  纳米粒子我们的救星！

纳米粒子比人类头发小 1000 倍，已被广泛用作催化剂，帮助提高我们经济的可持续性。它们可以极大地改变重要反应物（如 CO2、N2 和 H2O）的配置。这些分子通常相对惰性，难以改变。这些类型的反应物正是我们希望开始用作资源并大规模使用的，以使我们的经济可循环。

然而，纳米粒子也有缺点。尽管它们比人的头发小 1000 倍，但与二氧化碳等反应物相比，它们还是相当大的。对于 100 纳米的粒子，大约有 100,000 个二氧化碳分子可以同时吸收。这意味着，实际上，一个这样的纳米粒子实际上同时相当于约 100,000 个较小的催化剂。

遗憾的是，这些所谓的“活性位点”催化分子 A 到产物 B 的反应的能力并不相同。通常，纳米粒子表面只有少数特定位点在做大部分工作。粒子的其余部分是惰性的。或者更糟的是，它会催化副反应。生产一种只存在于那一个特定位点的催化剂不是更好吗？那个做所有工作的位点？

PART.3  集群催化剂：微型“泰坦”

这正是研究人员现在尝试做的事情。他们不是制造极小但反应物较大的纳米颗粒，而是制造簇[6,7,8] 。团簇是由原子以明确定义的原子性结合在一起的原子群。

也就是说，原子总数明确为 100 个或更少。由于尺寸较小（<2 纳米），团簇每次只能容纳少量反应物。此外，它们的结构和几何形状非常均匀。这意味着，如果找到使反应物 A 与反应物 B 非常相似的簇，就可以在催化剂表面填充非常适合将 A 转化为 B 的“微型泰坦”[9] 。

通过团簇催化，纳米粒子非活性部分以前的死区现在得到了充分利用。这使得整个催化剂更加高效，价格便宜。由于催化剂可能相当昂贵，因此簇的利用可以带来很大的不同。例如，电解水中的常用催化剂铱的价格为 200,000 美元/千克。使用团簇代替 100 nm 的粒子可以将催化剂成本降低 50 倍！

为了应对我们这个时代的真正挑战——例如减少我们的碳足迹、从可持续来源生产肥料、分解和再利用塑料沉积物以及实现真正的循环经济——我们必须发现更有效的催化剂。更重要的是，一旦发现，我们就应该迅速扩大其生产规模，以产生重大影响。

PART.4   VSParticle 的创新纳米打印技术

VSParticle 专注于提供创新解决方案，成为纳米粒子生成和打印领域的先驱。该公司的最新产品 VSP-P1 纳米印刷沉积系统配备集成的 VSP-G1 纳米粒子发生器，可快速轻松地合成和打印（半）导电纳米多孔层，用于各种应用。

VSP-G1 纳米粒子发生器的多功能性为研究人员提供了将粒子尺寸一直减小到团簇状态甚至控制其组成的机会[10]。

利用 VSP-P1纳米印刷沉积系统，这些团簇可以单独打印或者装饰在合适的支撑纳米颗粒（如Al2O3、SiO2、TiO2等）上，并打印在几乎任何基底上，如聚合物、氧化铟锡（ITO）、玻璃、金、碳等，直接生成具有催化活性和机械稳定性的催化剂层，以供测试[11]。

VSParticle 旨在占据高通量实验领域，该领域采用自动闭环催化剂优化方案，大大加速催化剂的发现和优化。VSP-P1 纳米印刷沉积系统和软件可实现精确的系统控制和可重复的结果。VSParticle 正在开发新一代打印机技术，以将催化剂生产规模扩大到工业相关产能。

参考文献

【1】Ritchie, H.; Roser, M. Energy. Our World in Data 2020.

【2】US Department of Commerce, N. Global Monitoring Laboratory - Carbon Cycle Greenhouse Gases. gml.noaa.gov/ccgg/trends/ (accessed 2021-08-16).

【3】Stips, A.; Macias, D.; Coughlan, C.; Garcia-Gorriz, E.; Liang, X. S. On the Causal Structure between CO 2 and Global Temperature. Sci Rep 2016, 6 (1), 1–9. doi.org/10.1038/srep21691.

【4】Fourteenth Session of Working Group I and Fifty-Fourth Session of the IPCC — IPCC. 

【5】 Haward, M. Plastic Pollution of the World’s Seas and Oceans as a Contemporary Challenge in Ocean Governance. Nat Commun 2018, 9 (1), 667

【6】Maisser, A.; Barmpounis, K.; Attoui, M. B.; Biskos, G.; Schmidt-Ott, A. Atomic Cluster Generation with an Atmospheric Pressure Spark Discharge Generator. Aerosol Science and Technology 2015, 49 (10), 886–894.

【7】 Maisser, A.; Barmpounis, K.; Holm, S.; Attoui, M.; Schmidt-Ott, A.; Kangasluoma, J.; Biskos, G. Characterization of Atmospheric-Pressure Spark Generated Atomic Silver and Gold Clusters by Time-of-Flight Mass Spectrometry. Journal of AerosolScience 2021, 156,105780. .

【8】Koolen, C. D.; Luo, W.; Züttel, A. From Single Crystal to Single Atom Catalysts: Structural Factors Influencing the Performance of Metal Catalysts for CO2 Electroreduction. ACS Catal. 2022, 948–973. 

【9】Arenz, M.; Gilb, S.; Heiz, U. Chapter 1 Size Effects in the Chemistry of Small Clusters. In The Chemical Physics of Solid Surfaces; Woodruff, D. P., Ed.; Atomic Clusters: From Gas Phase to Deposited; Elsevier, 2007; Vol. 12, pp 1–51. 

【10】Scalable synthesis of Cu(-Ag) oxide clusters via spark ablation for the highly selective electrochemical conversion of CO2 to acetaldehyde.