催化是化學(xué)工業(yè)的基石，在材料科學(xué)研究中具有重要意義。大約90%的化學(xué)品在生產(chǎn)過(guò)程中均涉及催化劑利用。例如，合成氨領(lǐng)域中用于Haber–Bosch工藝的鐵觸媒催化劑。高效的催化劑可以加快反應(yīng)速率，快速地促進(jìn)各種分子的有效轉(zhuǎn)化，這在化學(xué)、化工、能源、材料和環(huán)境科學(xué)的研究中具有重要意義。因此，高效、環(huán)保且易于操作的合成方法已被用于制備各種類(lèi)型的催化劑。盡管先前的研究已經(jīng)報(bào)道了上述催化劑的合成和表征，但更多的研究仍停留在試錯(cuò)方法上，沒(méi)有對(duì)傳統(tǒng)的合成方法進(jìn)行更加深入的考慮和改進(jìn)，這嚴(yán)重阻礙了催化劑的高效以及批量化生產(chǎn)。

在此項(xiàng)研究工作中，我們從試錯(cuò)法的角度系統(tǒng)性總結(jié)了不同尺寸納米材料和單原子催化劑的制備策略。此外，在構(gòu)效關(guān)系和DFT理論的指導(dǎo)下，也探究和總結(jié)了先進(jìn)的納米和原子級(jí)分散催化劑的制備案例。此外，我們還詳細(xì)介紹了各種催化劑在不同領(lǐng)域的催化應(yīng)用，如析氫反應(yīng)（HER）、析氧反應(yīng)（OER）、氧還原反應(yīng)（ORR）、氮還原反應(yīng)（NRR）、CO2還原反應(yīng)（CO2RR）、二氧化碳熱催化加氫制燃料等。也希望未來(lái)，在AI技術(shù)的輔助下，實(shí)現(xiàn)高效催化劑的綠色、快速、批量化制備。我們堅(jiān)信，本工作將會(huì)引起科學(xué)家、工程師和工業(yè)界的廣泛興趣，對(duì)致力于開(kāi)發(fā)先進(jìn)催化劑，進(jìn)一步滿足可持續(xù)能源的需求，為實(shí)現(xiàn)“碳中和”奠定理論指導(dǎo)和實(shí)踐基礎(chǔ)。

王立剛，清華大學(xué)化學(xué)系博士后，助理研究員，“水木學(xué)者”計(jì)劃入選者，合作導(dǎo)師為李亞棟院士和王定勝副教授。主要從事單原子、團(tuán)簇以及納米材料的理性設(shè)計(jì)、可控制備及其在新能源及催化方面的研究，致力于開(kāi)發(fā)高性能、長(zhǎng)壽命、低成本的功能性結(jié)構(gòu)材料，借助原位技術(shù)及DFT理論計(jì)算揭示其“構(gòu)效關(guān)系”，注重其在綠色制氫等新能源領(lǐng)域的應(yīng)用。其科研成果在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nano Research、Carbon Energy等國(guó)際頂級(jí)期刊上發(fā)表。

王定勝，清華大學(xué)副教授。2004年畢業(yè)于中國(guó)科技大學(xué)化學(xué)物理系獲學(xué)士學(xué)位，2009年在清華大學(xué)化學(xué)系獲博士學(xué)位。主要從事金屬納米催化方向的研究工作，目前已在Nature, Nature Nanotech., Nature Chem., Nature Catal.,Angew. Chem. Int. Ed.,J. Am. Chem. Soc.等國(guó)際頂級(jí)期刊上發(fā)表多篇高水平論文。2012年獲全國(guó)優(yōu)秀博士論文，2013年獲國(guó)家優(yōu)秀青年基金資助, 2018年青年人才拔尖計(jì)劃等。

Wang L, Wu J, Wang S, et al. The reformation of catalyst: From a trial-and-error synthesis to rational design. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6037-8.

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