具有高得多的原子利用效率，显着的性能，良好的可回收性和独特的性能的单/双原子和簇金属催化剂已经成为与能量有关的催化的新领域。近年来，金属有机框架（MOF）在具有高金属载量，多孔结构和可定制催化位点的独特优势的情况下，具有针对性地构建单/双原子和簇状催化剂的巨大潜力。
有鉴于此，京都大学，扬州大学徐强教授综述了基于MOF的单/双原子催化剂和团簇催化剂的关键作用和面临的主要挑战，以及未来的应用前景。
文章要点：
1）基于MOF的单/双原子和簇催化剂，结合了原子级催化位点和MOF的优点，可以桥接异质和均相催化以实现高选择性和活性以及耐用性。可以将精确控制的构型引入MOF或MOF衍生的碳中。
2）对于MOF固定的单/双原子和团簇催化剂，原子金属位点可以稳定在MOF的金属节点，孔隙空间或有机连接基中。与其他载体相比，MOF固定的单/双原子和簇状催化剂具有以下优点：（1）多孔固定结构和三维重复通道是MOF固定的单/双原子和团簇催化剂的主要特征，可以促进基质的传质，从而提高催化性能；（2）通过MOF的可调节结构，可以容易地调节和精确控制MOF固定化的单/双原子和簇状催化剂的结构，这使得所制备的原子级催化剂具有可用的结构多样性；（3）在MOF中嵌入分子状催化活性位点将使非均相催化剂的催化活性大大提高，而不会损害其稳定性；（4）通过同时引入不止一种类型的金属基位点，可以轻松地在MOF中实现不同化学成分之间的合成相互作用，从而大大提高催化性能。这样，这种催化剂可以表现出更广泛的能量应用中的多功能性质。（5）通过使用MOF作为载体可以实现金属高负载。
3）通过热或化学转化，可以使用MOF衍生的碳/金属基材料来固定原子级金属位点。与MOF固定的催化剂相比，MOF衍生的碳载催化剂表现出优异的电导率，并大大提高了热稳定性和化学稳定性，这使此类催化剂在与能源有关的电催化方面更具前景。除上述优点外，与其他碳载原子金属相比，MOF衍生的碳载还具有以下优点：（1）可以通过调节适当的MOF作为前驱体的制备以及碳化条件以轻松的调整碳基体内的构型；（2）MOF的特定特征，例如来自金属节点和有序通道的不饱和配位点，为MOF衍生功能材料的实际设计提供了条件。因此，在工业催化中，要大力发展MOF衍生的单/双原子和簇催化剂。
4）尽管多年来取得了进步，但要使基于MOF的单/双原子和簇催化剂在工业级能量转换应用中得到广泛应用，还有很长的路要走。作者总结了面临的主要挑战与解决方案包括：（1）在合成方面（基于MOF的单/双原子和簇催化剂的配位环境和金属负载的精确控制面临巨大挑战，这对催化至关重要）；（2）表征手段（目前用于原子金属活性位点结构表征的技术包括XAFS，HAADF-STEM和IR光谱学等技术，无法完全识别其精确的配位环境。因此需要努力开发特殊的反应池，以使原位表征与活性/选择性测量相结合）；（3）基于MOF的单/双原子和团簇催化剂的应用（目前主要集中在与能量相关的电催化应用中，尤其是ORR和CO2RR。需要在未来探索更多与能源相关的应用，特别是工业上的光催化反应和一些有机催化反应）；（4）催化部位和载体之间的功能协同作用将使所得的复合催化剂不仅具有高活性，而且具有多功能性。因此需要注意催化位点与MOF /衍生物之间的所谓“协同效应”，这些效应目前尚不明确。通过理论计算与上述原位/操作表征方法的进一步结合将为明确识别“协同效应”（而不是在黑匣子中）奠定基础。
Hou, Chun-Chao, et al, From Metal-Organic Frameworks to Single/Dual-Atom and Cluster Metal Catalysts for Energy Applications, Energy Environ. Sci., 2020
DOI：10.1039/C9EE04040D
http://dx.doi.org/10.1039/C9EE04040D
