贵金属单原子催化剂（SACs）以极限原子利用率和独特催化性能成为多相催化前沿，但贵金属稀缺昂贵，如何实现规模化、结构精确且批次稳定的合成是其走向工业应用的核心瓶颈。传统间歇釜式合成在毫克尺度有效，但当反应器体积放大时，传质传热的固有局限造成前驱体浓度与温度的时空不均匀，形成过饱和“热点”并驱动孤立金属原子迁移团聚为催化性能迥异的纳米团簇/纳米颗粒，单原子保真度丧失导致性能下降与结果不可复现，在实验室发现与实际应用之间筑起难以逾越的屏障。已有微流控SACs合成探索受制于装置复杂、能耗高或微升级通量，未能实现克级以上量产；而微流控反应器优异的传质传热仅为可放大SACs生产提供外部条件，要根本抑制金属团聚并实现稳定高载量锚定，载体对前驱体的强捕获与稳固锚定的本征性质同样不可或缺，连续流合成策略兼具简单装置、明确机制与真正可放大性仍是该领域的迫切需求。
近日，我院胡征教授团队开发了一种连续流微流控合成策略，以Pt1/hNCNC为主模型实现了贵金属单原子催化剂的规模化制备。该工作自主搭建的微反应器由蠕动泵与内径1 mm、长10 m的聚四氟乙烯管及温控装置组成，将H2PtCl6水溶液与hNCNC悬浮液分别泵入并在管内均匀混合，经60°C温控区滞留3 min实现Pt单原子的均匀锚定。结合实验与多尺度理论模拟，揭示了双尺度协同机制：宏观上，微流体反应器通过快速均匀混合避免局部过饱和，维持连续局域吸附平衡，有效抑制金属团聚；微观上，hNCNC的微孔捕获与氮锚定协同为[PtCl6]2-提供动力学限域与热力学稳定。该方法1周内制备200 g Pt1/hNCNC，产能较间歇法提升近300倍（30 g/天），具有高度均一性，并且Pt单原子载量上限由5.68 wt%提升至10 wt%。10 wt%-Pt1/hNCNC在0.5 M H2SO4中仅需12/33 mV过电位即达10/100 mA cm−2（商用Pt/C为27/130 mV），Tafel斜率24.7 mV dec−1，50 mV下TOF达15.46 H2 s−1（Pt/C为1.41），质量活性约为Pt/C的11倍，10000次CV循环后η100仅增2.5 mV。以其为阴极的质子交换膜水电解槽在超低载量20 μgPt cm−2下于1.66/2.00 V实现1.0/3.0 A cm−2工业级电流密度并稳定运行超500 h，1.7 V下质量活性62.5 A mgPt−1约为Pt/C（11.0）的6倍。该策略可推广至Pd/Au/Ir/Rh/Ru单原子与高熵单原子催化剂及NCNT、g-C3N4、N-rGO、ZIF-8-NC等多种氮掺杂碳载体，具有广泛普适性。该研究弥合了单原子催化实验室发现与工业应用之间的鸿沟，并为与人工智能及自动化制造相结合预留了智能化优化的空间。
图1. 微流控合成Pt1/hNCNC的结构均匀性
图2. 微流控合成Pt1/hNCNC的最大负载量
图3. 间歇法与微流控合成的多尺度理论建模
图4. M1/hNCNC（M=Pd、Au、Ir、Rh、Ru）及高熵单原子催化剂的形貌与结构
图5. Pt1/NC（NCNT、g-C3N4、N-rGO、ZIF8-NC）的形貌与结构
图6. 10 wt%-Pt1/hNCNC的电催化HER与PEMWE性能
该论文以“Scalable microfluidic synthesis of noble metal single-atom catalysts “为题，发表在《National Science Review》,（文章链接：https://academic.oup.com/nsr/article/13/15/nwag276/8678860，DOI：10.1093/nsr/nwag276）。田静宜博士、周操博士为该论文的共同第一作者，杨立军副教授、吴强教授、胡征教授为论文通讯作者。该论文得到了国家重点研发计划课题 (项目编号：2021YFA1500900), 国家自然科学基金（项目编号： 22479073), 江苏省科技计划重大项目（BK20253051、BG2024033），长三角科技创新共同体联合攻关（2025CSJZN00700）等项目支持。