貴金屬表現(xiàn)出優(yōu)良的催化反應(yīng)性，將其以單個(gè)原子的狀態(tài)分布在載體表面，形成的單原子催化劑能夠最大效率地利用貴金屬，也為控制催化反應(yīng)的活性和選擇性提供新途徑。研究貴金屬單原子催化反應(yīng)中的基元步驟，認(rèn)識(shí)貴金屬催化的機(jī)理和本質(zhì)，對(duì)理性設(shè)計(jì)催化反應(yīng)具有重要的意義。然而，在單原子分辨水平上研究催化過程具有很強(qiáng)的技術(shù)挑戰(zhàn)性。

　　最近，在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的支持下，中科院化學(xué)研究所分子動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的研究人員嘗試將單個(gè)貴金屬原子負(fù)載到有限數(shù)目原子形成的團(tuán)簇上，使用高分辨率質(zhì)譜技術(shù)，在單一原子量分辨水平上測量團(tuán)簇單原子催化劑的反應(yīng)性，取得了系列研究進(jìn)展。

　　氧化物是一類重要的催化劑載體材料，研究人員前期系統(tǒng)研究了氧化物載體團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，對(duì)活性氧的成鍵及其反應(yīng)性調(diào)控有了深入認(rèn)識(shí)（Acc. Chem. Res. 2012, 45, 382；J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 2991；Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 2444）。研究人員發(fā)現(xiàn)，將單個(gè)金原子負(fù)載到廉價(jià)金屬氧化物團(tuán)簇上，金可以高效俘獲一氧化碳分子并將其傳送到團(tuán)簇載體上進(jìn)行氧化，金通過氧化價(jià)態(tài)的極性反轉(zhuǎn)有效存儲(chǔ)反應(yīng)中釋放的電子，因而極大地提高了體系的反應(yīng)活性（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 3617；J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 1585）。進(jìn)一步，在團(tuán)簇體系中引入活性氧物種，結(jié)合同位素取代實(shí)驗(yàn)，研究人員明確觀測到了單個(gè)金原子的催化反應(yīng)性（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 14307），機(jī)理研究表明，金原子依次與氧和金屬成鍵來釋放和存儲(chǔ)電子，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)催化反應(yīng)的循環(huán)（圖一左）。研究人員還發(fā)現(xiàn)團(tuán)簇負(fù)載的單個(gè)鉑原子能夠有效活化特別穩(wěn)定的甲烷分子（Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 9482），在室溫下將其轉(zhuǎn)化為甲醛（圖一右）。這些工作為認(rèn)識(shí)貴金屬單原子催化的機(jī)理提供了新方法和新思路。

原子團(tuán)簇負(fù)載的（左）Au原子催化氧化CO（右）Pt原子室溫活化轉(zhuǎn)化CH4