人物介紹
孫學(xué)良教授 ，于2021年11月18日當(dāng)選 中國工程院外籍院士 。在此之前，孫學(xué)良教授已是加拿大西安大略大學(xué)機(jī)械與材料工程系教授，是世界著名的能源材料領(lǐng)域頂尖科學(xué)家， 加拿大皇家科學(xué)院和加拿大國家工程院兩院院士 ，國際電化學(xué)能源科學(xué)院常務(wù)副主席，加拿大納米能源材料領(lǐng)域首席科學(xué)家。 研究方向主要圍繞新型材料的開發(fā)，以及其在電化學(xué)能源轉(zhuǎn)化和儲存系統(tǒng)中的應(yīng)用，覆蓋了從基礎(chǔ)科學(xué)到納米應(yīng)用技術(shù)、再到新興的清潔能源工程范疇。研究領(lǐng)域包括固態(tài)電池、二次液態(tài)電池和燃料電池等重點(diǎn)從事鋰離子電池、固態(tài)電池和燃料電池研究與應(yīng)用。 現(xiàn)任國際電化學(xué)能源科學(xué)院（IOAEES）的主席，擔(dān)任Springer旗下國際期刊Electrochemical Energy Review主編（影響因子28.905）。2020年與2021年全球前2%頂尖科學(xué)家（終身科學(xué)影響力）；連續(xù)4年（2018年-2021年）入選科睿唯安全球“高被引科學(xué)家”。已發(fā)表Nature/Science子刊、Adv. Mater.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Edit.，Energy Environ. Sci.等高水平論文550篇，總引用次數(shù)超過40000次，H因子105，獲11項(xiàng)美國及PCT國際專利。編寫4本英文著作和撰寫18本英文著作的章節(jié)，在國際會議上做過150多場大會/主題/邀請報(bào)告，受邀參加了140多場國際學(xué)術(shù)會議。 在2021年11月21日和11月23日，孫院士團(tuán)隊(duì)與其他課題組合作分別在Advanced Energy Materials（Adv. Energy Mater.，IF=29.368）和Nature Communications（Nat. Commun.，IF=14.919）發(fā)表了最新成果。下面，對這兩篇成果進(jìn)行簡要的介紹，以供大家學(xué)習(xí)和了解！ 孫學(xué)良&王振波 Adv. Energy Mater.綜述：貴金屬SACs的先進(jìn)載體材料和相互作用：從載體效應(yīng)到設(shè)計(jì)策略
貴金屬單原子催化 基于此，加拿大西安大略大學(xué) 孫學(xué)良教授和深圳大學(xué) 王振波教授（共同通訊作者）等人 報(bào)道了一篇關(guān)于貴金屬SACs的載體材料最新進(jìn)展的綜述。在本文中，作者首先系統(tǒng)地介紹了貴金屬SACs中的載體效應(yīng)，包括錨定效應(yīng)、強(qiáng)金屬-載體相互作用和協(xié)同催化效應(yīng)。此外，作者還對載體材料的最新進(jìn)展進(jìn)行了分類，并對其錨固機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)討論。重要的是，作者總結(jié)了先進(jìn)支架的設(shè)計(jì)策略，以指導(dǎo)先進(jìn)支架材料的開發(fā)和利用。最后，作者提出了載體材料未來可能的研究方向，以幫助克服貴金屬SACs目前面臨的問題。由于本文圖較多，故僅選擇了部分圖進(jìn)行展示。
圖1. 貴金屬SACs的高級載體和設(shè)計(jì)策略 圖2. 強(qiáng)金屬-載體相互作用（SMSI） 圖5. Pd納米顆粒轉(zhuǎn)化為Pd SACs 總之，隨著貴金屬SACs的迅速發(fā)展，載體材料越來越受重視。它們不僅可以通過錨定作用穩(wěn)定貴金屬SACs，而且還可以通過表面修飾硅和協(xié)同催化作用提高貴金屬SACs的催化性能。此外，還提出并實(shí)施了各種先進(jìn)載體的設(shè)計(jì)策略，如空位構(gòu)建、雜原子引入、結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)和表面改性等，以加速貴金屬SACs的制備。
雖然在先進(jìn)載體材料方面取得了巨大進(jìn)展，但是仍然需要對載體材料進(jìn)一步的研究，以克服貴金屬SACs中的許多重大挑戰(zhàn)。針對不同的問題，未來可能的研究方向如下：
（1）實(shí)現(xiàn)單原子的高負(fù)載量始終是貴金屬SACs的主要挑戰(zhàn)之一，應(yīng)重點(diǎn)引入更多的缺陷位點(diǎn)和強(qiáng)金屬-載體相互作用（SMSI），以及增加載體的比表面積并構(gòu)建空間限制結(jié)構(gòu)；
（2）提高每個(gè)貴金屬原子的催化性能是目前重要的研究課題，貴金屬SACs的催化性能與載體上貴金屬單原子位點(diǎn)的配位環(huán)境和幾何結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此需要各種合理的載體設(shè)計(jì)來調(diào)整貴金屬SACs的催化性能；
（3）加大對貴金屬SACs與載體之間的協(xié)同催化作用的研究，并為其開發(fā)先進(jìn)的表征技術(shù)；
（4）貴金屬SACs的可擴(kuò)展生產(chǎn)是工業(yè)應(yīng)用的主要瓶頸，非常需要開發(fā)簡便且可擴(kuò)展的方法來制備具有豐富錨定位點(diǎn)的載體，同時(shí)需要保持載體的高度熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。
Advanced Support Materials and Interactions for Atomically Dispersed Noble-Metal Catalysts: From Support Effects to Design Strategies.Adv. Energy Mater. , 2021 , DOI: 10.1002/aenm.202102556. https://doi.org/10.1002/aenm.202102556. 孫學(xué)良&李雋&谷猛&陳寧Nat. Commun.：預(yù)先定位的孤立原子制備吡咯-N4 型SACs的一般策略
單原子催化劑（SACs）因其優(yōu)越的催化性能在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于單原子位點(diǎn)的獨(dú)特性質(zhì)，利用單原子作為催化劑合成SACs具有廣闊的應(yīng)用前景?；诖?，加拿大西安大略大學(xué)孫學(xué)良教授、清華大學(xué)李雋教授、南方科技大學(xué)谷猛副教授和加拿大同步輻射光源線站陳寧研究員（共同通訊作者）等人 報(bào)道了一種利用Pt1 原子作為催化劑合成了Co1 SAC。作者首先通過使用負(fù)載在N摻雜碳納米片上的Pt單原子作為催化劑（Pt1 /NCNS），利用原子層沉積（ALD）技術(shù)合成了Co SAC來驗(yàn)證該策略。X射線吸收光譜（XAS）結(jié)果顯示單個(gè)分散的Co1 原子。正如XAS和高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）所證實(shí)的那樣，在Co沉積后Pt1 原子仍是原子分散的。 此外，作者還表明這種合成策略是通用的，也可以很容易地?cái)U(kuò)展到合成Fe和Ni SACs。X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）模擬和擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）分析結(jié)果表明，所制備的Co、Fe和Ni SACs為M1 -吡咯-N4 結(jié)構(gòu)（M=Fe, Co和Ni)。通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明Pt1 原子促進(jìn)Co(Cp)2 離解成CoCp和Cp碎片。Co(Cp)產(chǎn)物通過強(qiáng)化學(xué)吸附進(jìn)一步沉積在基材上，從而導(dǎo)致更高的金屬負(fù)載和Co1 原子的形成。這些SACs在析氫反應(yīng)（HER）和析氧反應(yīng)（OER）下進(jìn)行了評估，通過原位XAS研究揭示了單原子位點(diǎn)的性質(zhì)。此外，在析氧反應(yīng)（OER）中，Ni1 SAC表現(xiàn)出比Fe1 和Co1 SACs高得多的活性，與DFT預(yù)測一致。這些新發(fā)現(xiàn)將SACs的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到催化制備方法，為先進(jìn)SACs的合理設(shè)計(jì)提供了可能。
圖3. M1 Pt1 /NCNS催化劑局部結(jié)構(gòu)的鑒定 圖5. M1 Pt1 /NCNS（M=Co、Fe和Ni）的理論和實(shí)驗(yàn)電催化分析 總之，作者首次使用非均相負(fù)載的Pt1 原子作為催化劑成功合成了M1 -吡咯-N4 型SACs。XANES模擬和EXAFS分析證實(shí)了這種通用的M1 -吡咯-N4 骨架。DFT計(jì)算表明Pt1 原子作為催化劑調(diào)節(jié)吸附行為并促進(jìn)Co ALD中Co(Cp)2 的解離，導(dǎo)致CoCp在吡咯-N4 位點(diǎn)上的化學(xué)結(jié)合并形成Co單原子。更重要的是，這種合成策略可以擴(kuò)展到實(shí)現(xiàn)Fe和Ni SACs。這些SACs在HER下進(jìn)行評估，單原子位點(diǎn)的性質(zhì)通過操作XAS研究進(jìn)一步揭示。
在OER中，Ni1 Pt1 /NCNS催化劑顯示出比Fe和Co SACs對應(yīng)物更好的催化活性，與DFT預(yù)測非常吻合。這些新發(fā)現(xiàn)將SACs的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到催化制備方法，對于先進(jìn)SACs的合理設(shè)計(jì)很有希望。M1 原子（M=Fe、Co、Ni）與局部配位N原子之間顯著的共價(jià)金屬-載體相互作用（SMSI）為通過底物設(shè)計(jì)進(jìn)一步調(diào)整催化性能提供了獨(dú)特的機(jī)會。
A general strategy for preparing pyrrolic-N4 type single-atom catalysts via pre-located isolated atoms. Nat. Commun. , 2021 , DOI: 10.1038/s41467-021-27143-5. https://doi.org/10.1038/s41467-021-27143-5.
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