双原子催化剂（DACs）具有高催化活性和金属利用率，同时结构多样，催化位点构型范围广泛。这些特性使双原子催化剂成为能源转化技术领域的有前景的候选材料。然而，对原子分散度、配对比例和原子间距离的精确控制——这些因素对其多功能催化行为至关重要——仍然是一项艰巨的挑战。
内蒙古大学能源与材料化学研究院武利民教授、化学化工学院刘健教授团队、香港城市大学黄勃龙教授等人开发了一种配体限制策略，即利用二胺与g-C3N4之间的有机-无机非共价键相互作用和二胺与双金属前体间的有机-金属之间的配位作用，在g-C3N4载体表面对金属原子的配对过程与空间排布进行有效限制。基于该策略合成的Pt2/g-C3N4-HA同核双原子催化剂成对率高达83%。基于该策略合成的Pt1–Au1/g-C3N4-HA异核双原子催化剂成对率高达82%与未配对的双原子催化剂相比，配对的Pt1-Au1双原子催化剂在硝酸盐还原为氨的催化活性上提高了近三倍。研究成果以“Ligand-restricted synthesis of highly paired dual-atom catalysts”为题在线发表在国际顶尖学术期刊Nature Materials上。
核心创新点
1.创新的合成策略：提出了一种“配体限制策略”，通过二胺配体与二维石墨氮化碳（g-C3N4）载体之间的非共价键相互作用，以及二胺与双金属前体之间的配位作用，实现了对双原子催化剂（DACs）中金属原子配对过程和空间排布的精确控制。这种“锚定-限制”机制从源头上抑制了金属原子的无序迁移，引导其定向形成原子对，确保了结构的高成对率和稳定性。
2.高成对率的实现：该策略成功合成了高配对率的双原子催化剂，其中同核Pt2/g-C3N4-HA催化剂的成对率达83%，异核Pt1–Au1/g-C3N4-HA催化剂的成对率达82%，显著高于已有研究报道，解决了传统方法中原子分散不均、易团聚的难题。
3.原子间距的可控调控：通过调节二胺配体的链长（如乙二胺、己二胺、芳香二胺），实现了双原子之间距离从0.22 nm到0.81 nm的精准调控，为在原子尺度优化协同催化环境提供了可控手段。
4.催化性能的显著提升：在硝酸根还原为氨的反应中，Pt–Au异核双原子催化剂表现出优异的协同催化效果。使用乙二胺配体时，氨产率从255 mg h⁻¹ mgmetal⁻¹提升至556 mg h⁻¹ mgmetal⁻¹；使用链长更长的己二胺配体时，氨产率进一步提高至744 mg h⁻¹ mgmetal⁻¹，证明有效的原子配对和间距调控能大幅增强催化活性。
5.机制深入理解：通过电子结构分析，揭示了原子间距对电子转移和反应物吸附行为的影响，证实适中的原子间距是双原子催化剂发挥最优催化性能的关键，为理解非均相催化中的纳米尺度反应机制提供了新见解。
6.策略的普适性：该合成策略具有良好的普适性，可拓展至多种同核和异核双原子催化剂体系，并通过灵活调整配体尺寸实现金属原子间距的精准调控，为双原子催化剂的结构化设计和实际应用提供了新范式和技术解决方案。
图1：双原子催化剂的形貌分析与结构表征
图2：DACs的配对机制和配位环境。
图3：Pt基DACs的理论计算和机器学习技术。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02385-6
