負載型金屬催化劑分散的極限是金屬以單原子的形式均勻分布在載體上，這是負載型金屬催化劑的理想狀态，并将催化化學推進到單原子尺度。單原子催化劑兼具均相催化劑的“孤立活性位點”和多相催化劑“穩定易分離”的特點。

近年來，beat365官方网站吳凱教授課題組與合作者通過調控氧化物表面自由能的方法實現了金屬單原子的制備，并考察了其反應性能。通常，塊體金屬的表面自由能遠高于氧化物的表面自由能，這也是金屬原子在氧化物表面上易團聚的原因所在。若将氧化物變薄到乃至單層，其表面自由能受基底金屬的調制會向金屬表面自由能靠近（化學勢的混合），此時沉積在薄層氧化物上的金屬就有可能處于高分散狀态。研究人員在Cu(110)單晶表面生長單層CuO薄膜，再沉積鉑(Pt)金屬原子，得到400 K以上熱穩定的Pt單原子模型催化劑。若将氧化物層厚度增加，相同沉積量的Pt原子則在室溫下便會團聚，形成金屬團簇。這種負載型金屬單原子模型催化體系的制備方法簡單易行，不需要通過吸附分子或者嵌入晶格來穩定金屬單原子，為負載型金屬單原子模型催化劑的制備提供了新思路（J. Phys. Chem. C, 2016, 120 (3), pp 1709–1715；http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpcc.5b11362）。

最近，吳凱課題組又與合作者利用上述發展的表面自由能調控法制備了金（Au）單原子模型催化劑。化學惰性的金屬 Au在高分散情況下表現出特定反應的高活性。如何解釋高分散Au的高活性來源一直是頗具争議的科學問題，特别是反應過程中Au的荷電狀态

受人們關注。吳凱課題組與合作者考察了Au單原子模型催化劑在一氧化碳（CO）氧化反應中荷電狀态的演化及相應反應活性的變化。研究發現，反應前Au單原子為負電狀态。主要途徑是CuO中的近鄰氧（O）離子将電子傳遞給Au，從而活化了近鄰O離子，同時負電狀态的Au單原子有助于金屬和CO間的d-π^*反饋，有利于活化吸附的CO分子。活化的CO分子與最近鄰O離子在室溫條件下反應，生成CO₂分子，産生O空穴。反應發生後，Au單原子變為電中性，此時反應活性喪失。當使用O₂修補晶格O缺陷後，Au單原子又變為負電狀态，恢複了反應活性。由此構成一個完整的反應循環，該反應遵從MvK反應機理（見下圖）。該研究利用了掃描隧道顯微鏡（STM）的超高空間分辨能力和X射線光電子能譜（XPS）的化學分辨能力，在原子尺度上清晰地表征了Au單原子在反應過程中的荷電狀态演化及其反應活性的變化，為理解單原子Au的催化活性提供了重要依據。

該研究工作最近在Journal of the American Chemical Society上在線發表（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140 (2), pp 554–557；http://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.7b10394）。

(a) 單層CuO薄膜上制備的Au單原子STM圖。(b) CO分子在室溫條件下與Au單原子近鄰晶格氧形成的氧空穴STM圖。(c) CO氧化反應過程中Au 4f和O 1s XPS信号的變化。 (d) Au單原子活化的CO氧化反應機理圖。

    該系列論文的第一作者是吳凱小組已畢業的研究生周雄博士。該系列研究是與中國科學院大連化學物理研究所楊學明研究員、新加坡國立大學化學系陳偉和許國勤教授以及中國科學技術大學邵翔教授通力合作完成的。研究得到了國家自然科學基金委員會、科技部、北京分子科學國家研究中心以及新加坡NRF的SPURc項目的聯合資助。