在单原子催化剂（SAC）中，锚定在碳载体（M-NC）上的金属原子-Nx（M-Nx）催化剂引起了关注。特别是在电催化中，氮不仅可以有效地锚定和稳定碳载体上的单金属原子，还可以调节金属或碳原子的电子结构，优化中间体的吸附/解吸，以提高催化性能。此外，碳载体易于商业化并具有高导电性以加速反应期间的电子转移。
SAC的一大挑战是单原子位点的浓度低，因为必须平衡原子的负载和聚集。温度越高金属原子越容易迁移和聚集，由于M-N键合的形成通常需要高温，因此对于实现具有高金属负载的M-NC SAC更具挑战性。此外，M-NC SAC很少有报道可以实现超过4wt％的金属负载量，并难以实现大规模生产M-NC SAC。因此，非常希望开发一种与大规模生产相容的方法，用于合成具有高金属负载量的M-NC SAC。
中科院胡劲松课题组开发了一种通过级联锚定策略批量生产多种M-NC SAC（M=Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Mo，Pt等）的一般方法，金属负载量高达12.1wt％。研究表明，金属离子的螯合作用，高负载下螯合物的物理分离和高温下与N-物种的结合对于实现高负荷的M-NC SAC至关重要。示例：Fe-NC SAC在0.1 M KOH中显示出优异的ORR电催化活性，半波电位为0.90 V（相对于RHE），在0.9V时动态质量电流为100.7 A g-1。Ni-NC SAC对CO2还原具有高电催化活性，法拉第效率为89％，在-0.85 V时具有30 mA cm-2的高电流密度。
具体过程：1#金属离子首先通过螯合剂如葡萄糖螯合，锚定在具有高表面积富含氧物质的多孔碳载体上。螯合剂可以有效地隔离金属离子（初级保护）并通过与含O基团的相互作用与富含O的碳载体结合。结合到载体表面的过量螯合剂将物理隔离金属络合物（二级保护）。
2#将复合的碳与三聚氰胺(氮源)混合，热解以获得M-NC SAC。在热解期间，螯合的金属络合物可以通过分解残余物进一步确保金属原子达到一定温度（~500℃）（三级保护）。
3#来自三聚氰胺的碳氮物质（CNx） （如C3N4等）在较高温度下（> ~600℃）可与金属原子结合形成M-Nx部分，接管保护并防止金属原子聚集（四级保护）。
实验表明，这种顺序保护策略能够生产具有高达12.1wt％的高金属负载的宽范围M-NC SAC，螯合作用可以在多种金属离子和配体之间发生。而且，碳载体可以是低成本的商业多孔碳，螯合剂可以是低成本的碳水化合物，如葡萄糖等，并且实验处理非常容易扩展。因此，本策略适用于各种低成本大规模生产M-NC SAC的应用。
Lu Zhao, Yun Zhang, Lin-Bo Huang, Xiao-Zhi Liu, Qing-Hua Zhang, Chao He, Ze-Yuan Wu, Lin-Juan Zhang, Jinpeng Wu, Wanli Yang, Lin Gu, Jin-Song Hu & Li-Jun Wan, Cascade anchoring strategy for general mass production of high-loading single-atomic metal-nitrogen catalysts. Nature Communications, 2019.
DOI: 10.1038/s41467-019-09290-y
