Ny strategi til fremstilling af enkeltatom-katalysatorer via elektrokemisk aflejring

Forskere fra University of Science and Technology of China (USTC) fra det kinesiske videnskabsakademi (CAS) har rapporteret en strategi for at fremstille single-atom katalysatorer (SAC'er). De syntetiserede mere end tredive forskellige SAC'er med 3-D til 5-D metalcentre på flere substrater via elektrokemisk aflejring. Den detaljerede forskning blev offentliggjort i Naturkommunikation .

I løbet af det sidste årti, SAC'er har fået bred opmærksomhed i at katalysere vandspaltning, iltreduktion, CO ₂ hydrogenering, methankonvertering og så videre på grund af deres maksimerede atomudnyttelse og unikke elektroniske strukturer. Imidlertid, disse strategier har generelt særlige krav til det forankrede metal eller understøtningerne. Det er fortsat en udfordring at udvikle en tilgang, der kan anvendes på en lang række metaller og understøtninger til fremstilling af SAC'er.

I dette studie, forskerne udførte den elektrokemiske aflejring af SAC'er i et standard tre-elektrodesystem. Ved at indstille potentialområdet på arbejdselektroden, to forskellige Ir-enkeltatomer forankret på Co(OH) ₂ nanoark (Ir ₁ /Co(OH) ₂ ) blev opnået fra både katodisk og anodisk elektroaflejring. X-ray Absorption Fine Structure (XAFS) måleresultater afslørede, at disse to Ir ₁ /Co(OH) ₂ viste forskellige valenstilstande og koordinationsmiljøer, som skal tilskrives forskellige deponeringsarter og redoxprocessen på elektroden.

De undersøgte derefter virkningerne af koncentrationen af ​​metalforstadier, antallet af scanningscyklusser, og scanningshastigheden på dannelsen af ​​SAC'er under både katodisk og anodisk elektroaflejring. Resultaterne indikerede, at styring af masselastningen af ​​metalarter under et bestemt niveau er afgørende for syntetisering af SAC'er. Den øvre grænse for massebelastning for SAC'er svarer til niveauet af minimum overmætning på understøtningen, som ligner den molekylære mekanisme for kernedannelse i opløsningsfasesyntesen.

I det følgende, forskerne deponerede med succes 4-D og 5-D metaller på Co(OH) ₂ nanoark, 3-D metaller på nitrogen-doteret kulstof, og Ir enkelte atomer på forskellige substrater for at teste denne metodes almene karakter. Den enkelte spredning af metalarter blev valideret ved strukturelle karakteriseringer. I mellemtiden den samme type SAC'er fra katodisk og anodisk elektrodeposition viste også forskellige elektroniske strukturer, holde potentialer i anvendelse til forskellige katalytiske reaktioner. De opnåede SAC'er blev anvendt til at katalysere vandspaltning. Katodisk deponerede Ir enkeltatomer på Co _0,8 Fe _0,2 Se ₂ nanoplader udviste en strømtæthed på 10 mA cm ^-2 med kun et overpotentiale på 8 mV for hydrogenudviklingsreaktion, mens anodisk aflejrede Ir -atomer også viste fremragende ydeevne for oxygenudviklingsreaktion.

Desuden, forskerne samlede katodisk og anodisk aflejret Ir enkelt atom i en to-elektrode celle til overordnet vandopdeling. For at øge katalysatorbelastningen for bedre ydeevne, de enkelte atomer blev dyrket på Ni-skum. De elektrokemiske målinger antydede, at kun et rekordlavt potentiale på 1,39 V var nødvendig for en strømtæthed på 10 mA cm ^-2 .

Almindeligheden af ​​denne metode giver ikke kun nem adgang til en bred vifte af SAC'er, men også nye veje til dybdegående forståelse af katalytiske mekanismer.