Att exakt reglera de elektroniska strukturerna hos metallaktiva ämnen är mycket önskvärt för elektrokatalys. Kolbaserade substrat med inert yta ger svag metall-stödinteraktion och kan därför inte modulera sina elektroniska strukturer effektivt.

Nyligen, en grupp ledd av Prof. Liu Jian från Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) vid den kinesiska vetenskapsakademin, i samarbete med Prof. Zhou Si från Dalian University of Technology och Prof. Liang Ji från Tianjin University, använde enstaka atomer för att modifiera kolsubstratet för att förbättra interaktionen mellan substrat och understödda metallnanopartiklar. Metoden skulle kunna skräddarsy de elektroniska strukturerna hos metallnanopartiklar exakt.

Denna studie publicerades i Angewandte Chemie International Edition den 8 maj.

Forskarna spred enstaka Co-atomer på kolsubstrat för att förbättra interaktionen mellan substrat och rutenium (Ru) nanoreaktorn, som möjliggjorde fjärrreglering av de elektroniska tillstånden för Ru-nanopartiklar, och därigenom stämma av deras elektrokatalytiska aktivitet.

De tog väteutvecklingsreaktion (HER) som en modellreaktion, den kobolt-enatomdopade kol-stödda Ru-nanoreaktorn visade ultrahög katalytisk aktivitet och stabilitet.

Teoretiska beräkningar visade att dekoration av syrehaltig grafen med enstaka metallatomer inducerade elektronomfördelning på kolytan. Kolatomerna som omger de enskilda atomerna hade elektronbrist, vilket förbättrade elektronöverföringen från Ru-nanopartiklar till kolsubstratet, och därigenom optimerade bindningsförmågan hos Ru nanoreactor och dess HER-prestanda.

"Detta arbete realiserar den effektiva produktionen av grönt väte med användning av icke-Pt-elektrokatalysatorer och ger en ny strategi för att styra det katalytiska beteendet hos kolbaserade metallnanokatalysatorer på ett mer flexibelt och oförstörande sätt, " sa prof. Liu.