Enkelatomskatalysatorer (SAC) har på grund av sin utmärkta katalytiska aktivitet varit ett hett ämne inom energikatalysområdet. I SACs kan metallatomerna interagera direkt med stöden, vilket maximerar metall-stödgränssnittet. Metall-stödinteraktionerna (MSI) påverkar i hög grad de elektroniska egenskaperna hos enatomskatalysatorer och katalytisk prestanda.
För närvarande är sätten att reglera metall-bärarinteraktioner i allmänhet att ersätta bäraren eller att behandla katalysatorn med vätereduktion, vilket kan orsaka förändringar i bäraren eller offra katalysatorns stabilitet. Därför är utvecklingen av en metod för att reglera metall-bärarinteraktioner utan att byta bärare brådskande nödvändig.
En forskargrupp ledd av prof. Zeng Jie från Hefeis nationella forskningscenter för fysikaliska vetenskaper i mikroskala, University of Science and Technology of China (USTC) vid den kinesiska vetenskapsakademin har konstruerat enatomskatalysatorer med effektiv elektrooxidation av vatten använder platsspecifika MSI:er. Studien publicerades i Nature Communications .
Forskarna använde en elektrokemisk avsättningsstrategi för att effektivt modulera de platsspecifika metall-bärarinteraktionerna mellan Ir-enkelatomer förankrade på Ni-skiktad dubbelhydroxid (Ni LDH). Katodisk avsättning drev Ir-atomer förankrade till tredubbla neutrala vakanser (Ir1 /Ni LDH-T) och anodavsättning drev Ir-atomer förankrade till syrevakansplatser (Ir1 /Ni LDH-V). Starka MSI mellan Ir-atomer och bärare inducerade bytet av aktiva platser från Ni- till Ir-ställen, vilket optimerade adsorptionsstyrkan hos intermediärerna och därmed ökade den katalytiska aktiviteten.
Forskarna avslöjade att, i enlighet med den elektrokemiska avsättningsprincipen och röntgenabsorptionsfinstrukturen, Ir1 /Ni LDH-T har fler kovalenta bindningar mellan Ir-ställena och det koordinerade syret från Ni LDH. Ni 2p XPS-topparna för Ir1 /Ni LDH-T skiftade till hög bindningsenergi, vilket indikerar starkare MSI för enskilda Ir-atomer i Ir1 /Ni LDH-T.
Testresultaten av elektrokatalytisk vattenoxidationsreaktion visade att massan och inneboende aktiviteter för Ir-enatomkatalysatorer med starka MSI ökade med 19,5 respektive 5,2 gånger. Syre-isotop-märkning in situ Raman-spektra visade att 18 O-märkt syre i Ir1 /Ni LDH-V och Ni LDH utbyttes lätt med 16 O-atomer i elektrolyten under vattenoxidationsreaktionen, vilket tyder på att Ni var de huvudsakliga aktiva platserna i dessa två katalysatorer. Däremot 18 O-märkt Ni 3+ –O i Ir1 /Ni LDH-T skulle inte bytas ut före 16 O, vilket indikerar att Ir är den huvudsakliga aktiva webbplatsen.
Dessutom visade teoretiska beräkningar att den starkare MSI i Ir1 /Ni LDH-T optimerade adsorptionsenergin för syresatta intermediärer, vilket förbättrade prestandan.
Mer information: Jie Wei et al, Platsspecifik metallstödsinteraktion för att byta aktiviteten hos enskilda Ir-atomer för syreutvecklingsreaktion, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44815-0
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
