近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心教授曾杰團(tuán)隊(duì)，通過(guò)精準(zhǔn)的單原子錨定位點(diǎn)設(shè)計(jì)，制備出一種可以高效催化電化學(xué)陽(yáng)極反應(yīng)的單原子催化劑。相關(guān)成果分別發(fā)表于《自然—通訊》《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》，并被選為《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》封面論文。

研究人員采用電化學(xué)沉積技術(shù)，選擇性地將銥單原子錨定在羥基氧化鈷載體表面氧原子的三重中空位點(diǎn)處和氧空位處。測(cè)試表明，錨定在氧空位處的銥單原子展現(xiàn)出更優(yōu)異的電化學(xué)陽(yáng)極反應(yīng)性能。機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于錨定在氧原子的三重中空位點(diǎn)處的銥單原子催化劑，銥—鈷之間的強(qiáng)電荷相互作用增強(qiáng)了鈷位點(diǎn)對(duì)反應(yīng)中間體的吸附。而對(duì)于錨定在氧空位處的銥單原子催化劑，銥—鈷之間電荷效應(yīng)不明顯。但是，銥單原子特殊的配位結(jié)構(gòu)會(huì)與電化學(xué)陽(yáng)極反應(yīng)中間體之間形成氫鍵相互作用，最終通過(guò)構(gòu)型效應(yīng)穩(wěn)定了中間體，降低了反應(yīng)能壘。

此外，研究人員通過(guò)將配位環(huán)境相同的銥單原子分別錨定在羥基氧化鈷載體的晶格處和表面氧空位處，構(gòu)造出了兩種不同的單原子—載體界面結(jié)構(gòu)，并以此來(lái)探究原子級(jí)界面對(duì)電化學(xué)陽(yáng)極反應(yīng)的調(diào)控機(jī)制。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，處于晶格位點(diǎn)的銥—氧八面體與近鄰共邊的鈷—氧八面體之間會(huì)產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致鈷位點(diǎn)對(duì)電化學(xué)陽(yáng)極反應(yīng)中間體的吸附增強(qiáng)。而錨定在羥基氧化鈷表面的銥—氧八面體則通過(guò)共點(diǎn)的氧與鈷—氧八面體連接，在催化劑表面形成了一個(gè)獨(dú)特的銥—氫氧—鈷界面，并通過(guò)空間相互作用調(diào)控了關(guān)鍵反應(yīng)中間體在其表面的吸附構(gòu)型，從而大幅提升了該催化劑的電化學(xué)陽(yáng)極反應(yīng)性能。

該研究從原子尺度揭示了單原子錨定位點(diǎn)對(duì)其電催化性能的調(diào)控機(jī)制，也為設(shè)計(jì)高效的電化學(xué)陽(yáng)極析氧反應(yīng)催化劑提供了新思路。(見習(xí)記者王敏)

關(guān)鍵詞： 高效催化電化學(xué)陽(yáng)極反應(yīng) 高效單原子催化劑 銥單原子錨定 羥基氧化鈷載體