一项新的聚合物平台技术能将单个金属原子锁定在精确位置，从而提升稳定性并实现更清洁的催化反应。

科学家们在逐原子构建催化剂方面取得了重大进展，实现了前所未有的精准控制。单原子催化剂常被誉为未来更清洁、更高效化学反应的希望。然而，让它们在低温实验室之外发挥作用，一直是一项重大的工程和材料挑战。温度一旦升高，原子就容易团聚成簇；而将它们置于精确设计的化学环境中，也几乎是不可能完成的任务。

如今，一个由意大利、日本和瑞士研究人员组成的国际团队展示了一种突破性的方法，可同时克服这两个障碍。科学家们利用原子分辨率扫描探针显微镜引导的表面合成技术，创建了一维有机聚合物，该聚合物能选择性地将金属原子锚定在统一设计的配位点上。其结果是获得了一种可调节的分子级结构，其行为类似合成酶支架——只是控制精度更高。

设计的原子级精度

据研究团队称，这是首次制造出具有周期性侧延伸结构的聚合物基材料，该结构专门设计用于将单个原子结合在可重复的位置上。该平台坚固耐用、可定制，并且旨在让每个金属原子都暴露于反应物之中，这是实现最大催化活性的关键要求。

主要作者马尔科·迪·乔瓦纳托尼奥博士清晰地阐述了研究动机："为了实现最大的催化效率，我们必须确保催化剂中的每个原子都能被试剂接触到——这在块体材料或原子簇中是不可能的，因为内部的原子会被隐藏。"他补充道，自然界已经通过酶的活性位点解决了这个问题，并指出："我们的方法通过将金属原子隔离在聚合物链上均匀的位点中，且具有出色的稳定性（甚至在室温以上），为开发近乎酶活性的催化剂开辟了一条新途径。"该团队还强调了该结构的适应性，可根据目标反应支持不同的金属和配体。

更强的键合行为

一项并行理论研究探讨了这些聚合物结合的单原子如何与关键工业气体相互作用。研究结果令人瞩目：相比其他常见的催化剂框架，该结构对一氧化碳、氧气和氢气的结合能力要强得多。这种增强的反应活性为研究重要工业过程背后的机理提供了可能，特别是那些需要选择性稳定反应中间体的过程。

一个直接的关注领域是二氧化碳转化，单原子催化剂可以更高精度、更低能耗地将二氧化碳导向更有价值的化学产物。

这一概念性飞跃超越了催化领域本身。正如成田明光教授所指出的："这项工作不仅为构建具有原子级明确反应中心的单原子催化剂引入了一种新策略，而且为合理设计用于未来各种应用的有机金属纳米材料奠定了基础。"

研究人员表示，这种最终能防止原子团聚、可在室温以上工作并能逐个位点进行设计的结构，可能会加速下一代催化技术的发展，包括更清洁的燃料、更绿色的化学合成以及更高效的工业转化途径。

该团队的研究结果和方法细节已发表在《自然-通讯》期刊上。

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