PS：纳米人之前和今后所有文章中，如未特别说明，中文所称的“单原子”催化剂，是为了统一写法而对“single-atom”、“single-site”、“atomically dispersed”等相关英文术语的统称。望周知！
页岩气是指主要以吸附和游离方式赋存于富有机质泥页岩及其夹层中的生物成因或热成因天然气。通俗地说，页岩气就是从页岩层中开采出来的天然气，其成份和用途与常规天然气相同，是常规天然气的替代品。和常规天然气一样，页岩气可用于替代煤，对于节能减排具有重大意义。
图
1.
页岩气全球分布
目前，页岩气主要通过水力压裂技术来制备乙烷、丙烷等低链烷烃。要想制备更高价值的染料和精细化学品，现有技术主要依靠蒸汽裂解等传统手段。而蒸汽裂解能耗较高，而且转化效率不足
60%
。
利用催化技术从页岩气高效获取烯烃等高附加值化学品，具有低能耗、高效率的优点，近年来被广泛研究。而烷烃中
C-H
键的活化，则是页岩气催化转化中的关键环节之一。
图
2.
页岩气用途
基于
Ni
和
Pt
的催化剂具有较好的
C-H
键活化性能，问题在于：
Ni
金属很容易积碳导致失活；而
Pt
成本较高，也较易积碳失活。（做过
Ni
的孩子应该是深有体会，此处省略九千字！）
有鉴于此，美国塔夫茨大学
E. Charles H.
Sykes
课题组、
Maria Flytzani-Stephanopoulos
课题组、以及英国伦敦大学学院
Michail Stamatakis
课题组，合作开发了一种抗积碳的
Pd/Cu
单原子合金催化剂，具有优异的
C-H
键活化能力。
图
3.
理论和实验上不同表面的
C-H
键活化对比
图
4.
纯
Cu
表面和单原子
Pt/Cu
表面
C-H
活化路径对比
为了缓解
Ni
和
Pt
催化剂的积碳问题，研究人员往往会采取掺杂少量
Au
等金属元素的方式。然而，
Sykes
等人却反其道而行之，他们以被认为不具有
C-H
活化性能、但是抗积碳的廉价金属
Cu
作为主体材料，在其上负载极少量的活性单原子
Pt
。
在高真空条件下，研究人员在
Cu(111)
单晶表面沉积单原子
Pt
，以用于表面化学方法研究。在实际条件下，研究人员首先通过
NaBH
4
还原
Cu(NO
3
)
2
，制备得到
Cu
纳米颗粒溶胶。然后将
Cu
纳米颗粒负载于
SiO
2
载体上，并经过
300
℃空气煅烧。最后，通过
Galvanic
置换反应，制备得到负载于
SiO
2
上的单原子
Pt/Cu
合金纳米颗粒，以用于实际催化剂研究。
图
5.
高真空条件下
Pt/Cu
单原子合金催化剂具有更低的
C-H
活化温度
图
6.
实际条件下
Pt/Cu
单原子合金催化剂的
C-H
活化活性和稳定性
通过对甲基、甲烷、丁烷等系列体系的模拟计算、高真空表面化学研究以及催化实验验证，研究人员发现，这种
Pt/Cu
单原子合金材料比
Cu
具有更好的
C-H
键活化性能和更低的工作温度（
Pt/Cu SAA:350 K; Cu:450 K
），且抗积碳能力优异，能在实际工作条件下稳定数天。
研究表明，
Pt/Cu
单原子合金催化剂活化
C-H
键的能垒较
Cu
更低，因而具有更好的
C-H
键活化能力。另一方面，
Cu
可以促进
C-C
偶联，从而抑制了
Pt
