近日，我组与韩国蔚山国家科学技术研究院Jong-Beom Baek院士和韩高峰博士团队合作，利用穆斯堡尔谱技术的超高能量分辨率实现了对机械化学法制备的单原子铁催化剂纯度的精准表征。

利用机械化学的方法，可将大块铁等过渡金属直接磨损制备成单原子催化剂（图一）。相较于传统的方法，该制备方法：一，以廉价大块金属为母材，杜绝了金属盐的使用；二，不使用任何溶剂；三，无任何副产物生成。但目前利用机械化学法在制备的单原子铁催化剂中，往往除了单原子外，仍存在少量偶然形成的纳米团簇。这些纳米团簇因为数量少、短程有序，不易被发现，即使是高精度的同步辐射X射线吸收精细结构谱（EXAFS）也很难精准地定量和定性分析这些原子簇。如图二所示，虽然高角环形暗场扫描透射电子显微镜（图二a）和同步辐射EXAFS（图二b）显示Fe以单原子态分布，但对其配位环境和是否所有的Fe均为单原子却并不清楚。

图一、形成单原子的示意图。大块金属（蓝色部分）在机械摩擦的过程中，其表面会产生大量的高能缺陷。缺陷处的原子配位数低，可以轻易摆脱基底的束缚，被同样具有缺陷的衬底材料（黄色部分）捕获，从而形成单原子催化剂。

本研究利用⁵⁷Fe穆斯堡尔谱技术（图二c,d）揭示了Fe单原子催化剂的配位环境（主要为Fe₄N结构），明确探测到了少量难以被其它方法确定的Fe原子簇，并确定为碳化三铁（Fe₃C,S1）。经过热处理提纯后，即使样品中的Fe₃C团簇仅有4%（图二d），也可以被轻易检测到。该实验表明⁵⁷Fe穆斯堡尔谱技术是精确表征Fe单原子催化剂纯度可靠并不可或缺的技术。

图二、单原子Fe–N–C催化剂表征。a,热处理前原始样品的高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）。圆圈内的白点为单个Fe原子。标尺，1纳米。b,热处理前和后的单原子Fe–N–C催化剂的径向分布函数（RDF）。该数据是X射线吸收精细结构谱（EXAFS）经过傅立叶变换得到。c,d,处理前和后的单原子Fe–N–C催化剂的室温穆斯堡尔谱。

相关研究成果以“Abrading bulk metal into single atoms”为题，发表在Nature Nanotechnology上。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中科院国际伙伴计划等项目的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41565-022-01075-7