單原子燃燒催化劑結(jié)構(gòu)和催化機理的先進表征技術(shù)

方延延，王功名，曲文剛，趙鳳起

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230026；2.西安近代化學(xué)研究所 燃燒與爆炸技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065)

引 言

催化燃燒反應(yīng)，包括含能材料催化熱分解、揮發(fā)性有機物(VOCS)的催化氧化[1]、甲烷催化燃燒[2]以及碳煙顆粒的催化燃燒等[3]，是能量轉(zhuǎn)化和污染氣體處理等領(lǐng)域的重要反應(yīng)。作為催化過程的核心組成之一的催化劑，在催化過程中起到了重要作用。然而，當(dāng)前燃燒催化劑仍然面臨著各種限制因素。例如，對于甲烷催化燃燒和揮發(fā)性有機物(VOCS)的催化氧化，目前較為成熟的貴金屬基催化劑(Pt、Pd、Rh等)具有較高的催化活性和穩(wěn)定性，但貴金屬稀缺性和高昂的價格限制了其大規(guī)模使用[4]。鉛基催化劑常用于固體推進劑的催化燃燒并展現(xiàn)出良好的活性，但是鉛的毒性對人員健康和環(huán)境安全造成了重大的隱患[5-6]。因此，優(yōu)化催化劑設(shè)計從而在保證催化劑催化活性的同時，降低催化劑成本、提高催化劑的人體安全性和環(huán)境安全性是發(fā)展燃燒催化劑的重中之重?？紤]到燃燒催化劑大多是貴金屬及其他重金屬催化劑，降低貴金屬的成本及減少重金屬的安全問題的一個重要解決思路是提升催化劑金屬原子的利用率，從而降低貴金屬及其他重金屬的使用量。由于異相催化過程主要發(fā)生在催化劑的表面，通常來說催化劑表面原子是催化活性中心，因此，增加表面原子占比有望增加原子利用率，從而降低貴金屬及其他重金屬的使用量。

隨著材料學(xué)的發(fā)展和合成方法的進步，將材料尺度降低到納米級別可以有效地增加材料表面原子的比例，從而實現(xiàn)高的原子利用率；更進一步地，將材料由納米尺度降低至單原子級別，即單原子催化劑，可以實現(xiàn)接近100%的原子利用率[7-8]。自張濤等[9-10]提出單原子催化的概念并成功制備和表征單原子催化劑以來，單原子催化劑因其特殊的性質(zhì)，如優(yōu)異的催化性能、極高的原子利用率、獨特的選擇性，而在多個領(lǐng)域受到研究者們的廣泛關(guān)注。單原子催化劑擁有的這些性質(zhì)主要來源于其特殊的結(jié)構(gòu)，即極致的原子尺度、特殊的幾何構(gòu)型和配位環(huán)境以及上述構(gòu)型導(dǎo)致的高化學(xué)勢和獨特電子結(jié)構(gòu)。此外，由于單原子具有獨特的配位結(jié)構(gòu)，其物理化學(xué)性質(zhì)也可能會發(fā)生顯著的改變，從而體現(xiàn)出不同的催化活性，在催化燃燒反應(yīng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。例如Qu等[11]合成制備了PDA-Pb單原子催化劑并用于固體推進劑的催化燃燒過程；該Pb基單原子催化劑具有很高的催化RDX燃燒速率，并具有較寬壓力范圍內(nèi)的低壓指數(shù)，可以使固體火箭發(fā)動機的燃燒更加穩(wěn)定和安全。為了更合理地設(shè)計和合成單原子催化劑，深入了解催化劑的作用本質(zhì)是其中的重點，而這需要對催化劑的結(jié)構(gòu)和催化反應(yīng)過程進行精確地表征[12-13]。傳統(tǒng)表征技術(shù)，如X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線光電子能譜(XPS)等，由于尺度或原理的限制，在表征單原子催化劑領(lǐng)域具有一定的劣勢；當(dāng)前同步輻射X射線吸收譜學(xué)(XAS)技術(shù)以及球差校正透射電子顯微鏡的發(fā)展使得單原子的表征成為可能。其中，同步輻射XAS技術(shù)可以探究單原子催化劑的配位結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，而球差校正透射電子顯微鏡可以直接觀測到單原子在載體上的負(fù)載和分布情況。除了對催化劑本身的研究，探究催化機理從而理解催化反應(yīng)過程也為催化劑的設(shè)計和合成提供重要的思路，這就需要對催化過程進行原位研究。考慮到催化燃燒過程需要的氣流、壓強等條件，以及催化過程的重要部分，即催化過程中催化劑的變化、表面吸附行為、中間體和產(chǎn)物的檢測，原位同步輻射XAS、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和真空紫外線分子束質(zhì)譜(SVUV-PIMS)技術(shù)，可以為研究催化燃燒過程提供重要的實驗支撐。

本文將主要研究論述：(1)單原子催化劑結(jié)構(gòu)的先進表征，即利用同步輻射XAS技術(shù)以及球差校正透射電子顯微鏡表征單原子催化劑；(2)單原子催化劑的催化機理研究方法，即利用原位同步輻射XAS、FTIR和SVUV-PIMS技術(shù)解析催化過程。利用上述先進結(jié)構(gòu)表征手段對單原子催化劑的結(jié)構(gòu)表征以及對其催化過程的探討，將有利于進一步進行單原子燃燒催化劑的設(shè)計和合成。

1 單原子催化劑結(jié)構(gòu)的先進表征

1.1 球差校正透射電子顯微鏡

球差校正掃描透射電子顯微鏡(STEM)的高角環(huán)形暗場(HAADF)圖像對單原子催化劑的結(jié)構(gòu)表征起著重要作用。HAADF-STEM成像接收的信號是來自于高角度范圍的非相干散射電子，由入射電子束與樣品中原子內(nèi)殼層1s態(tài)電子相互作用發(fā)生的盧瑟福散射產(chǎn)生。其成像襯度與對應(yīng)原子序數(shù)的平方成正比關(guān)系，這使重金屬原子在低背景襯托下形成明亮的對比，且其超高空間分辨率能精確確定單個金屬原子的位置和分布。例如，Li等[14]通過將Pt前驅(qū)體(H2PtCl6)加入到g-C3N4水分散體中，然后在70℃下長時間攪拌以錨定金屬原子，煅燒后成功合成g-C3N4負(fù)載的Pt單原子催化劑，見圖1(a)，在C3N4的低背景襯度下，Pt原子十分明顯，且進一步經(jīng)過粒徑分析確定Pt為單原子分布。Chen等[15]通過組裝Zn2+、2-甲基咪唑和Fe(acac)3制備了Fe(acac)3@ZIF-8分子尺度籠，在高溫惰性氛圍下熱解后，ZIF-8可以轉(zhuǎn)化為氮摻雜的多孔碳，而Fe(acac)3形成了Fe單原子，見圖1(b)。如圖1(c)的HAADF-STEM圖像中的紅色圓圈標(biāo)記所示，這些孤立亮點可被指認(rèn)為Fe單原子。如圖1(d)中石墨烯負(fù)載的Ni單原子催化劑的HAADF-STEM圖像所示，單原子Ni物種占據(jù)了石墨烯晶格中的碳位[16]。

HAADF-STEM的另一個重要優(yōu)勢是能夠提供原子級的局部結(jié)構(gòu)信息。例如，在圖1(e)所示的原子分辨的HAADF-STEM圖像中，F(xiàn)e原子以單原子的形式分布在石墨烯上，同時在相應(yīng)的電子能量損失譜，見圖1(f)，可以觀測到Fe單原子亮點處同時存在Fe和N的信號，表明Fe—Nx鍵的形成[17]。HAADF-STEM對樣品的要求較低，在單原子催化劑表征中得到了廣泛的應(yīng)用。

圖1 單原子催化劑的HAADF-STEM圖像Fig.1 The HAADF-STEM images of single-atom catalysts

1.2 同步輻射X射線吸收譜學(xué)

盡管利用球差校正透射電子顯微鏡電鏡的襯度能反映單原子的分布和位置，但是單原子的配位方式和電子結(jié)構(gòu)難以通過電子顯微鏡來精確獲取，因此需要結(jié)合譜學(xué)表征來分析材料的配位和電子結(jié)構(gòu)，而這可由XAS來研究。其中X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)(XANES)可以分析元素的價態(tài)與電子結(jié)構(gòu)，而擴展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(EXAFS)可以分析元素的局域配位環(huán)境，即配位元素、鍵長、配位數(shù)等。隨著原子尺度的縮小，中心原子的配位環(huán)境和電子結(jié)構(gòu)會有明顯的區(qū)別。因此，結(jié)合XANES和EXAFS可以很明顯地區(qū)分出有序塊體材料、納米材料與單原子材料。這種技術(shù)在近年來得到了極大的發(fā)展，且已經(jīng)成為單原子表征和識別的有利證據(jù)。

加州大學(xué)洛杉磯分校的段鑲鋒團隊[18]開發(fā)了一種能夠有效合成MN4C4構(gòu)型的單原子材料的合成方法，并將合成的單原子材料用于電催化水分解析氧反應(yīng)。圖2展示了利用該方法合成不同金屬單原子材料的XAS結(jié)果。結(jié)果表明，這種合成單原子催化劑的方法可以成功制備出Ni、Co、Fe等單原子材料。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的吳宇恩教授團隊[19]則提出了懸浮鍵的概念，通過懸浮鍵的作用力巧妙地將Fe原子錨定在了氧化石墨烯上，簡便地制備了單原子材料。通過圖3的EXAFS結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e在氧化石墨烯上以單原子形式存在。近年來，單原子材料的應(yīng)用潛力被大大挖掘，曲文剛等[11]通過在聚多巴胺上附載原子分散的Pb，制備了單原子材料PDA-Pb，并發(fā)現(xiàn)其具有高效的環(huán)三亞甲基三硝胺的催化熱分解性能，這一發(fā)現(xiàn)能夠有效地提高固體火箭推進劑的燃燒性能。圖4中XAS結(jié)果揭示了Pb在PDA-Pb中的平均價態(tài)和配位環(huán)境：通過分析測得的Pb L3邊XANES的白線峰強度可以發(fā)現(xiàn)，PDA-Pb中Pb元素的價態(tài)在金屬態(tài)Pb與四價氧化態(tài)PbO2之間；根據(jù)對EXAFS數(shù)據(jù)的擬合發(fā)現(xiàn)其只有第一配位層，配位結(jié)構(gòu)為Pd與4個N配位，與理論構(gòu)型一致，小波變換(WT)后的圖譜能夠更加直觀地區(qū)分Pb—Pb鍵與Pb—O或Pb—N鍵。XAS表征包含了眾多的結(jié)構(gòu)信息，成為了表征單原子催化劑必不可少的手段。

圖2 MN4C4構(gòu)型單原子材料的XAFS譜圖[18]Fig.2 XAFS spectra of MN4C4 single atom catalysts[18]

圖3 單原子催化劑及其對比樣品的XAFS譜圖[19] Fig.3 The XAFS spectra of single-atom catalysts and the reference samples[19]

圖4 PDA-Pb XAFS譜圖[11] Fig.4 XAFS spectra of PDA-Pb[11]

2 單原子催化劑的催化機理研究方法

2.1 原位同步輻射X射線吸收譜學(xué)

同步輻射X射線吸收譜學(xué)(XAS)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于探測單原子材料的配位結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)[20]。相較于離位XAS，原位(包括in-situ和operando)XAS可以解析催化劑在實際催化過程中電子結(jié)構(gòu)和配位結(jié)構(gòu)的變化，從而有助于對催化過程中實際反應(yīng)活性位點及其的動態(tài)演變的理解、以及對催化作用機理的深入解析[21]。單原子催化劑的構(gòu)型轉(zhuǎn)化，即單原子位點的配位結(jié)構(gòu)，可以通過EXAFS來解析；而單原子位點催化過程中電子結(jié)構(gòu)變化可由XANES獲得。原位XAS技術(shù)可以進行氣相和液相環(huán)境的原位表征，目前已成功應(yīng)用于電催化、光催化、熱催化等領(lǐng)域，并有望應(yīng)用于單原子燃燒催化劑的先進結(jié)構(gòu)表征中。

針對催化液相反應(yīng)，Cao等[22]利用operando XAS技術(shù)，解析了鈷基單原子催化劑(Co1/PCN)在電催化堿性水分解產(chǎn)氫過程中的催化活性位點的實際結(jié)構(gòu)及其演變過程。在催化過程中，作者觀測到了反應(yīng)實際活性位點的構(gòu)型由離位樣品的Co1—N4配位構(gòu)型轉(zhuǎn)化為催化過程中的H2O—(HO—Co1—N2)配位構(gòu)型，見圖5，即在反應(yīng)過程中，樣品的Co—N配位鍵部分?jǐn)嗔?，且Co位點發(fā)生水和氫氧根的吸附。

圖5 Co1/PCN的Co-K邊operando XAFS光譜圖[22] Fig.5 Operando Co-K edge XAFS spectra of Co1/PCN[22]

針對催化氣相反應(yīng)，Cao等[23]利用in-situ XAS技術(shù)解析了Pt顆粒上負(fù)載的Fe基單原子氫氧化物(Fe-Pt/SiO2)在H2中CO優(yōu)先氧化(PROX)反應(yīng)中Fe單原子的構(gòu)型及轉(zhuǎn)變機制。實驗結(jié)果證明，相較于離位樣品，在通H2的情況下，表面的Fe1(OH)x物種以及Pt顆粒會被還原為較低價態(tài)、金屬-氧配位減少、金屬-金屬配位增加；而在進行PROX反應(yīng)時，單原子Fe會被可逆地氧化，Pt則在反應(yīng)中維持金屬態(tài)，見圖6。

圖6 Fe-K邊和Pt-L3邊in-situ XAS測試[23]Fig.6 In-situ XAS test of Fe-K edge and Pt-L3 edge[23]

2.2 原位同步輻射傅里葉變換紅外光譜

除了對材料結(jié)構(gòu)動態(tài)演化的研究外，在分子水平上研究催化反應(yīng)和催化過程對催化劑的有效開發(fā)同樣至關(guān)重要。了解復(fù)雜催化反應(yīng)的詳細(xì)過程和機理是控制反應(yīng)和抑制副產(chǎn)物產(chǎn)生的關(guān)鍵。傅里葉變換紅外(FTIR)光譜是一種基于其指紋圖譜和表面選擇規(guī)律的實時獲取化學(xué)反應(yīng)中吸附物和反應(yīng)物組分的化學(xué)性質(zhì)信息的有效方法。這些特性使該技術(shù)在催化反應(yīng)中具有良好的適用性和廣泛的應(yīng)用前景[24]。

Qu等[11]利用in-situ FTIR技術(shù)深入研究了RDX含能材料的熱分解過程。如圖7所示，對于純RDX以及添加了不同催化劑(PDA、Res-Pb和PDA-Pb)的RDX的FTIR譜均存在在某一溫度下基線背景突躍的情況，這是由于RDX分解過程產(chǎn)生的氣體引起光散射，因此可利用該基線突躍現(xiàn)象判斷RDX的分解起始溫度。相較于RDX和RDX@PDA，加入Res-Pb和PDA-Pb之后，RDX熱分解起始溫度顯著降低，這說明在引入上述Pb基催化劑后RDX分子被活化、分解動力學(xué)加速。此外，利用FTIR也檢測到了在加入Res-Pb和PDA-Pb后RDX中N—NO2斷裂的NO2和N2O產(chǎn)物，這也說明了研究的Pd基催化劑對RDX分子的活化。

圖7 利用in-situ FTIR研究RDX的分解[11]Fig.7 In situ FTIR studies on the decomposition of RDX[11]

目前，F(xiàn)TIR研究是由常規(guī)的實驗室紅外光源進行的，由于低強度和熱源的靈敏度有限，其平均信噪比往往較差[25-26]。對于具有異構(gòu)界面的固液系統(tǒng)，液體對各種物種的紅外信號具有不可克服的強烈干擾，使得情況更加復(fù)雜。為了增強中間分子的吸收信號，提高紅外識別的準(zhǔn)確性，可以采用衰減全反射紅外(ATR-IR)光譜技術(shù)以及表面增強的衰減全反射紅外(ATR-SEIRA)光譜技術(shù)[27-28]。這種技術(shù)通過形成一層薄的液層和引入貴金屬方式，來降低溶液的強吸收和增強期望吸附信號，見圖8(a)～(b)。雖然它們已經(jīng)取得了很大的成功，但由于內(nèi)部液層厚度的不同以及隨機沉積金屬薄膜的質(zhì)量不同，其可重復(fù)性尚存不足[29]。

同步輻射(SR)是自由電子高速作圓周運動時發(fā)出的一種電磁輻射?；谕捷椛涞募t外光譜(SR-FTIR)具有獨特的光譜吸收特性，已成為一種優(yōu)于傳統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)探測技術(shù)[30]。SR-FTIR的光源具有高亮度的特點，這使得其紅外信號具有較高的信噪比和靈敏度[21]。另外，SR的高偏振光提供的皮秒時間尺度的光脈沖使檢測源保持分子結(jié)構(gòu)的同時在短時間內(nèi)獲得優(yōu)質(zhì)的分辨率[31]。SR-FTIR光譜在檢測分子偶極矩變化和獨特的官能團方面具有可比的靈敏度和高分辨率，這使得其在多相界面反應(yīng)的中間物種檢測方面成為不可或缺的工具。由于SR的光源亮度高，人們可以方便地實現(xiàn)單反射模式的信號采集，大大降低了常規(guī)光源多反射帶來的噪聲和不確定性。SR-FTIR光譜單反射模式采集原理如圖8(c)所示：SR紅外光束以特定的角度通過ZnSe窗口照射樣品平面，僅經(jīng)過一次反射后，反饋信號直接被MCT探測器采集見圖8(c)～(d)。

Cao等[32]利用SR-FTIR系統(tǒng)地研究了Ru1-N4單原子催化劑在電催化析氧反應(yīng)(OER)中的催化機理。在圖9(a)～(b)的原位SR-FTIR測量譜圖中，在施加1.5V的高工作電位后，約764cm-1處出現(xiàn)了一個新形成的吸收帶；當(dāng)電位從1.6V降至1.2V時，吸收帶強度逐漸降低并消失。這一可逆吸附和解吸現(xiàn)象歸因于*O中間產(chǎn)物在Ru單原子位點上的演化。由圖9(c)可以看出，*O吸附形成的O—Ru1—N4位點是OER的第一個激活步驟，OER隨后傾向于親核攻擊反應(yīng)，去質(zhì)子酸生成*OOH。結(jié)合理論計算，在真實反應(yīng)狀態(tài)下，單氧預(yù)吸附形成了O—Ru1—N4的高氧化態(tài)物種，為OER反應(yīng)過程中*OOH關(guān)鍵中間體的形成提供了低O—O耦合勢壘。Liu課題組[33]將Fe單原子位點材料(Fe SAs-NC)作為ORR模型電催化劑，并利用原位SR-FTIR研究反應(yīng)機理。對于Fe SAs催化劑，在開路電位條件下，通過原位SR-FTIR檢測到O—H振動，見圖9(d)～(e)，這表明羥基物種(—OH)預(yù)先吸附在Fe活性中心(HO—Fe—N2)。ORR電位發(fā)生變化后，*O—OH關(guān)鍵中間物種開始積累；隨著電位從0.90V下降到0.70V，其強度明顯下降。而Fe NPs對比樣品的*O—OH振動沒有明顯變化，與Fe SAs的SR-FTIR測量結(jié)果不同，見圖9(f)。值得注意的是，特征振動(Fe—OH，*OOH)的研究表明，F(xiàn)e—OH活性單元在0.9V后趨于穩(wěn)定，而*OOH中間相在0.9V前迅速積累并有效裂解，這意味著HO—Fe—N2結(jié)構(gòu)是加速*OOH中間相生成和連續(xù)裂解的活性中心。這種催化位點的動態(tài)激活優(yōu)化機理為加速四電子ORR的動力學(xué)指明了一定的道路。

圖8 SR-IR測試示意圖[29]Fig.8 Schematic diagram of SR-IR test[29]

圖9 (a)～(c)為酸性O(shè)ER條件下Ru-N-C的原位FTIR結(jié)果[32](d)～(f)為Fe SAs/N-C在不同條件下的SR-FTIR的測試結(jié)果[33]Fig.9 (a)—(c) are In-situ SR-FTIR results of Ru-N-C[32] (d)—(f) are SR-FTIR test results of Fe SAc/N-C under different conditions[33]

2.3 同步輻射真空紫外線分子束質(zhì)譜

盡管SR-FTIR可以定性檢測較為簡單的催化反應(yīng)的反應(yīng)中間體在催化位點的吸附和反應(yīng)行為，但其在定量分析方面存在明顯劣勢。通過質(zhì)譜技術(shù)可以定性定量地檢測催化反應(yīng)的反應(yīng)中間物種及產(chǎn)物。然而考慮到催化反應(yīng)過程中所涉及中間體或自由基的濃度低、壽命短、化學(xué)活性強、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且同時可能存在多種同分異構(gòu)體，因此使用僅通過質(zhì)量來區(qū)分不同化學(xué)物質(zhì)的傳統(tǒng)質(zhì)譜儀來檢測區(qū)分催化反應(yīng)涉及的物種難度很大。受益于同步輻射光的廣泛可調(diào)性、高光通量及高亮度特性，同步輻射真空紫外光電離技術(shù)具有很高的靈敏度，因此即使在自由基濃度很低的情況下也可以有效檢測和定量分析。同步輻射真空紫外線分子束質(zhì)譜法(SVUV-MBMS)，見圖10(a)，在燃燒系統(tǒng)中檢測到了許多未被報道的反應(yīng)中間體[34]。

圖10 同步輻射真空紫外線分子束質(zhì)譜法Fig.10 SVUV-MBMS

例如，在碳?xì)浠衔锘鹧嬷写_定了烯醇為常見中間產(chǎn)物[35]和含氧化合物[36],這對于改進烯醇的燃燒動力學(xué)模型非常重要。此外，通過對質(zhì)譜圖的分析，可以確定燃燒系統(tǒng)中的自由基和反應(yīng)中間體，這對開發(fā)定量描述實際應(yīng)用中復(fù)雜反應(yīng)系統(tǒng)(例如燃燒發(fā)動機的設(shè)計和燃燒污染物的控制)的動力學(xué)模型舉足輕重。Leclerc等[37]利用同步輻射真空紫外線光離子化質(zhì)譜法在正丁烷的低溫氧化過程中檢測到了甲基過氧化氫(m/z=48)、乙基過氧化氫(m/z=62)、丁基過氧化氫(m/z=90)和C4-酮過氧化氫(m/z=104)，并發(fā)現(xiàn)這些新檢測到的物種在正丁烷氧化過程中發(fā)揮了重要作用，且將其納入了正丁烷熱解動力學(xué)機制中，見圖10(b)。此外，Wang等[38]采用同步輻射真空紫外線輻射光離子化(SVUV-PI)飛行時間分子束質(zhì)譜儀(MBMS)和大氣壓力化學(xué)電離(APCI)軌道質(zhì)譜儀(OTMS)分析了低溫氧化正庚烷的中間物種。如圖10(c)所示，在低溫氧化過程中會存在一些關(guān)鍵的熱解中間體，如烯、二烯、醛/酮化合物、烯烴醛/酮化合物、二酮、環(huán)狀醚、過氧化物、酸和醇/醚等，這些中間體對于開發(fā)構(gòu)建更精確的正庚烷和長鏈烷烴的低溫氧化動力學(xué)模型提供了依據(jù)。

3 總結(jié)與展望

單原子燃燒催化劑顯著降低了貴金屬和其他重金屬的使用量，具有成本低廉、污染低、催化活性高等優(yōu)勢，已被應(yīng)用于如含能材料的催化燃燒等領(lǐng)域。對單原子燃燒催化劑結(jié)構(gòu)的詳細(xì)表征以及在分子原子水平上研究催化反應(yīng)過程至關(guān)重要。近些年單原子催化劑表征手段得到了極大的發(fā)展，同時對單原子催化反應(yīng)機理等方面也取得了顯著進展，為單原子催化劑的設(shè)計開發(fā)提供了重要見解。綜述了單原子催化劑的重要表征手段，為進一步研究單原子燃燒催化劑打下基礎(chǔ)；并將原位同步輻射XAS、FTIR、及SVUV-MBMS在催化反應(yīng)機理研究中的應(yīng)用案例進行總結(jié)，以指導(dǎo)開發(fā)更多的單原子催化劑用于燃燒催化反應(yīng)。但是，利用上述先進技術(shù)表征單原子燃燒催化劑的結(jié)構(gòu)和催化機理仍然存在很多難題需要攻克，簡要總結(jié)如下：

(1)催化燃燒過程需要較為苛刻的高溫、高壓條件，這就對原位測試的儀器和設(shè)備提出了更高的要求。因此當(dāng)前對于單原子燃燒催化劑催化機理研究的一個重要方向就是相關(guān)測試設(shè)備和儀器的設(shè)計改進，在此基礎(chǔ)上單原子燃燒催化劑催化機理的研究有望上升至一個新的高度。

(2)單原子燃燒催化劑催化過程中涉及多種反應(yīng)中間體和產(chǎn)物，對于這些反應(yīng)中間體/產(chǎn)物的解析存在一定的困難；催化劑在催化過程中也可能會發(fā)生重構(gòu)現(xiàn)象，這對催化劑催化本質(zhì)和其催化作用的研究提出了重大挑戰(zhàn)。