新研究發展二電子氧還原單原子催化劑理性設計策略
近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員章福祥、博士范文俊與西北工業大學教授段志遙等合作，提出通過構筑載體與分子催化劑雜化型單原子催化劑（HSAC），實現理性開發目標催化劑的新思路。
合作團隊以電催化氧化還原反應（ORR）為模型，基于分子催化劑結構明確、微觀結構可調等特性，通過理論模擬優化篩選與高通量實驗相結合，可高效優化出鈷基雜化單原子目標催化劑（Co-HSAC），其在堿性ORR中合成雙氧水選擇性高于95%，在流動池300 mA/cm2下穩定25小時以上。相關成果發表在《自然—通訊》上。
自2011年張濤院士等人原創性提出“單原子催化”概念以來，單原子催化劑的設計開發在熱催化、電催化、光催化、生物質轉化等領域受到了廣泛關注。然而，目標單原子催化劑的理性設計開發仍然受到活性位點結構不明確、“構效關系”不十分清晰等因素制約。
該工作中，合作團隊充分利用分子催化劑結構明確、具有可調性等特點，通過密度泛函理論計算與實驗驗證相結合，從具有不同單金屬活性中心的酞菁分子催化劑中，篩選出酞菁鈷分子催化劑作為電催化ORR選擇性還原至雙氧水的潛力催化劑，繼而利用軸向配位與碳納米管連接，有效構筑出Co-HSAC目標單原子催化劑，實現了高電流密度下高選擇性ORR還原。此外，合作團隊通過原位XAFS等測試表征，闡述了其微觀結構動態變化，獲得了明確催化結構與性能的關系。
研究結果表明：這種雜化型單原子催化劑HSACs不僅發揮了分子催化劑自身結構可調優點，而且可通過與載體不同連接方式進一步調變其電子結構與性能，充分發揮了單原子催化劑兼顧均相催化和多相催化優勢的特點。
HSACs有望成為一種獨特類型的單原子催化劑廣泛應用于各類催化反應，其研究范式也有望拓展至其它雜化型雙/多原子催化劑的理性開發應用。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37066-y
