單原子催化劑(SAC)由于其高的原子利用率和獨(dú)特的電子環(huán)境而具有優(yōu)異的催化活性，近年來(lái)在能源催化領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。在SAC中，金屬-載體相互作用(MSI)通過(guò)調(diào)控金屬原子與載體之間的電荷轉(zhuǎn)移而影響SACs的電子性質(zhì)，從而影響其催化性能。因此，優(yōu)化MSI對(duì)于開(kāi)發(fā)高效的SAC具有重要意義。目前調(diào)節(jié)MSI的典型方法是調(diào)節(jié)載體的組成和結(jié)構(gòu)，例如改變載體的種類和用氫氣進(jìn)行還原處理。然而載體的變化也會(huì)影響催化劑的活性，這阻礙了對(duì)催化劑性能提高的內(nèi)在原因的深入研究。
此外，盡管還原處理后載體中金屬-氧鍵的數(shù)量有所增加，但催化劑的穩(wěn)定性通常會(huì)下降，導(dǎo)致單原子的聚集。因此，在不改變載體的情況下，通過(guò)簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)單原子的配位結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)MSI是非?？扇〉?。鑒于單原子的配位結(jié)構(gòu)與載體表面的特定位點(diǎn)密切相關(guān)，對(duì)位點(diǎn)特異性MSI的精確調(diào)控有助于深入了解MSI與SAC活性之間的相關(guān)性。
近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰和張志榮等通過(guò)電化學(xué)沉積的方法，將Ir單原子精確地錨定在Ni LDH的特定位點(diǎn)上，從而有效地調(diào)控Ir SAC的位點(diǎn)特異性MSI。陰極電化學(xué)沉積驅(qū)動(dòng)孤立的Ir原子錨定在Ni LDH (Ir1/Ni LDH-T)上的三重面心立方(fcc)空心位置處，而陽(yáng)極電化學(xué)沉積驅(qū)動(dòng)Ir原子通過(guò)一個(gè)頂點(diǎn)O原子與氧空位相連(Ir1/Ni LDH-V)。與Ir1/Ni LDH-V相比，Ir1/Ni LDH-T中Ir位點(diǎn)與Ni LDH配位氧之間的共價(jià)鍵更多，從而導(dǎo)致Ir1/Ni LDH-T的MSI更強(qiáng)。
此外，研究人員還探討了不同MSI對(duì)析氧反應(yīng)(OER)催化性能的影響。結(jié)果表明，Ir1/Ni LDH-T在10 mA cm-2電流密度下的過(guò)電位為228±3 mV，比Ir1/Ni LDH-V低73 mV。此外，Ir1/Ni LDH-T能夠在10、20和50 mA cm-2電流密度下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行20小時(shí)，且反應(yīng)后材料的形貌和結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生明顯變化。
光譜測(cè)試和理論計(jì)算表明，Ir原子與Ni LDH之間較強(qiáng)的質(zhì)子間相互作用通過(guò)誘導(dǎo)催化活性中心從Ni位點(diǎn)向Ir位點(diǎn)的轉(zhuǎn)換來(lái)激發(fā)Ir的活性，進(jìn)而優(yōu)化中間體的吸附強(qiáng)度，從而提高OER活性。綜上，該項(xiàng)工作深入研究了MSI與OER性能之間的相關(guān)性，并提供了一種通過(guò)電化學(xué)選擇性錨定單原子來(lái)設(shè)計(jì)具有位點(diǎn)特異性MSI的高活性催化劑的新策略。
Site-specific metal-support interaction to switch the activity of Ir single atoms for oxygen evolution reaction. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-44815-0
