隨著全球化工和能源行業(yè)生產(chǎn)與社會需求之間的日益脫節(jié)，必須實現(xiàn)高效率以應(yīng)對未來可能到來的危機。其中最基本的方法之一就是開發(fā)更高效的催化劑。為了實現(xiàn)這一愿景，單原子催化劑(SACs)已經(jīng)被系統(tǒng)地提出和研究。SACs具有孤立和均勻的活性位點，在許多反應(yīng)中表現(xiàn)出非凡的性能。此外，由于缺乏電子量子尺寸效應(yīng)和結(jié)構(gòu)敏感幾何效應(yīng)，SACs是構(gòu)建活性-結(jié)構(gòu)關(guān)系和進一步理解活性位點上反應(yīng)機理的完美平臺。同時也是從原子層面了解反應(yīng)的真正機理，進而掌握原子間相互作用的一些基本規(guī)律的重要研究模型。
雙原子催化劑(DACs)在SAC理論的基礎(chǔ)上提供了進一步的豐富和功能化。DAC的興起給這一領(lǐng)域帶來了新的轉(zhuǎn)折，引入了許多獨特的雙金屬中心組合。許多合成方法已經(jīng)被開發(fā)用于DAC的合成，包括原子層沉積(ALD)和浸漬等。利用這些催化劑，已經(jīng)在各類電催化反應(yīng)中表現(xiàn)出驚人的催化效率。但目前，對于DAC如何加速電化學(xué)過程的機理還沒有系統(tǒng)的總結(jié)。更重要的是，必須確定兩個金屬中心之間的相互作用，以理解DAC體系的反應(yīng)機制，這可能為全面了解DAC的潛在因素提供了新的機會。
近日，清華大學(xué)的王定勝對雙原子催化劑中長程相互作用進行梳理和總結(jié)，介紹了DACs中LRI的作用、調(diào)控和電催化應(yīng)用范圍，并重點介紹了該領(lǐng)域的挑戰(zhàn)和機遇。
圖1. 單原子催化劑中電子載體相互作用和雙原子催化劑中長程相互作用 金屬中心之間的距離是影響DAC的主要因素。它主要通過調(diào)節(jié)界面上的電子轉(zhuǎn)換和波函數(shù)來影響LRI。為此，提出了利用距離和位置策略來調(diào)整波函數(shù)中金屬中心與位置之間的距離。因此，作者分析了最新的研究，總結(jié)出雙原子催化劑中金屬位點之間距離和位置在LRI中的作用。 圖2. 雙原子催化劑中距離和位置在LRI中的作用 與距離相比，實現(xiàn)組合的修改更為實用。已經(jīng)提出了多種合成方法。然而，合成與催化性能之間的關(guān)系缺乏系統(tǒng)的探索。在此，作者將最新的相關(guān)研究進行了分析總結(jié)，以幫助研究人員理解元素種類選擇和反應(yīng)性能之間的關(guān)系。 圖3. 同核雙原子催化劑中同核金屬位點對LRI中的影響 本工作通過對LRI的規(guī)制，明確了LRI的概念和影響因素。然而，僅憑借上述認(rèn)知，無法得到一個可靠的電化學(xué)策略，因此必須澄清LRI在電化學(xué)反應(yīng)中的機制。作者將DAC在電化學(xué)反應(yīng)中的作用歸結(jié)為一步協(xié)同加速和步間串聯(lián)作用兩部分。這兩種機制適用于不同的反應(yīng)，以實現(xiàn)較高的催化效率。 圖4. 雙原子催化劑中LRI在電催化反應(yīng)中的應(yīng)用 在討論了DACs上LRI的基本信息后，作者明確了進一步探索LRI的重要性和必要性。然而，在這方面存在著很多機會，作者將這些機會總結(jié)為“精確合成”、“表征技術(shù)”、“建模與描述符”、“機器學(xué)習(xí)”四個要點。這些要點也可以作為一本手冊，為研究人員探索DAC提供指導(dǎo)。 論文信息 Long-Range Interactions in Diatomic Catalysts Boosting Electrocatalysis Wen-Hao Li, Jiarui Yang, Prof.?Dr. Dingsheng Wang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202213318
