Forskere skaber enkeltatoms katalysatorer til effektiv elektrooxidation af vand

Enkeltatomkatalysatorer (SAC'er) har på grund af deres fremragende katalytiske aktivitet været et varmt emne inden for energikatalyse. I SAC'er er metalatomerne i stand til at interagere direkte med understøtningerne og dermed maksimere metal-understøtningsgrænsefladen. Metal-støtte-interaktionerne (MSI'er) påvirker i høj grad de elektroniske egenskaber af enkeltatom-katalysatorer og den katalytiske ydeevne.

I øjeblikket er midlerne til regulering af metal-bærer-interaktioner generelt at erstatte bæreren eller at behandle katalysatoren med hydrogenreduktion, hvilket kan forårsage ændringer i bæreren eller ofre stabiliteten af ​​katalysatoren. Derfor er udviklingen af ​​en metode til at regulere metal-bærer-interaktioner uden at ændre bærerne påtrængende nødvendig.

Et forskerhold ledet af prof. Zeng Jie fra Hefei National Research Center for Physical Sciences at the Microscale, University of Science and Technology of China (USTC) fra det kinesiske videnskabsakademi har konstrueret enkeltatom-katalysatorer med effektiv elektrooxidation af vand ved hjælp af stedspecifikke MSI'er. Undersøgelsen blev offentliggjort i Nature Communications .

Forskerne anvendte en elektrokemisk aflejringsstrategi til effektivt at modulere de stedspecifikke metal-bærer-interaktioner af Ir-enkeltatomer forankret på Ni-lagdelt dobbelthydroxid (Ni LDH). Katodisk aflejring drev Ir-atomer forankret til tredobbelte neutrale ledige stillinger (Ir₁ /Ni LDH-T) og anodisk aflejring drev Ir-atomer forankret til ilttomgangssteder (Ir₁ /Ni LDH-V). Stærke MSI'er mellem Ir-atomer og bærere inducerede skiftet af aktive steder fra Ni- til Ir-steder, hvilket optimerede adsorptionsstyrken af ​​mellemprodukterne og øgede dermed den katalytiske aktivitet.

Forskerne afslørede, at Ir₁ i overensstemmelse med det elektrokemiske aflejringsprincip og røntgenabsorptionsfinstrukturen /Ni LDH-T har flere kovalente bindinger mellem Ir-stederne og det koordinerede oxygen fra Ni LDH. Ni 2p XPS-toppene for Ir₁ /Ni LDH-T skiftede til høj bindingsenergi, hvilket indikerer stærkere MSI'er af enkelt Ir-atomer i Ir₁ /Ni LDH-T.

Testresultaterne af elektrokatalytisk vandoxidationsreaktion viste, at massen og iboende aktiviteter af Ir-enkeltatom-katalysatorer med stærke MSI'er blev øget med henholdsvis 19,5 og 5,2 gange. Oxygen-isotop-mærkning in situ Raman-spektre viste, at ¹⁸ O-mærket oxygen i Ir₁ /Ni LDH-V og Ni LDH blev let udvekslet med ¹⁶ O-atomer i elektrolytten under vandoxidationsreaktionen, hvilket tyder på, at Ni var de vigtigste aktive steder i disse to katalysatorer. I modsætning hertil ¹⁸ O-mærket Ni ³⁺ –O i Ir₁ /Ni LDH-T ville ikke blive udskiftet inden ¹⁶ O, hvilket indikerer, at Ir er de vigtigste aktive websteder.

Derudover afslørede teoretiske beregninger, at den stærkere MSI i Ir₁ /Ni LDH-T optimerede adsorptionsenergien af ​​oxygenerede mellemprodukter og forbedrede dermed ydeevnen.

Flere oplysninger: Jie Wei et al., Stedspecifik metalstøtteinteraktion for at ændre aktiviteten af ​​Ir-enkeltatomer til oxygenudviklingsreaktion, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44815-0

Leveret af Chinese Academy of Sciences