中国科大研究团队发展出电化学沉积制备单原子催化剂普适性方法

中国科大研究团队发展出电化学沉积制备单原子催化剂普适性方法

近日，合肥国家微尺度物理科学研究中心、中国科学技术大学化学物理系曾杰教授、周世明副教授研究团队开发了一种利用电化学沉积制备单原子催化剂的普适性方法。利用该方法，研究人员成功制备了34种单原子催化剂，涵盖了钼、钴、锰等多种过渡金属和基质。相关成果发表在《 》上。

单原子催化剂因其最大化的原子利用率和独特的电子结构，在水解、氧气还原、二氧化碳加氢、甲烷转化等化学反应中受到广泛关注。然而，目前合成单原子催化剂的方法对单个原子和底物的要求相对较高，并不能在任何底物上制备出任意金属单原子催化剂。因此，发展一种对底物和金属无选择性的普适性单原子合成方法具有重要意义。

电化学沉积制备单原子的机理研究

中国科学技术大学科研人员在电化学三电极体系中进行电化学沉积，通过阴极沉积和阳极沉积获得了两种Ir1/Co(OH)2单原子催化剂。X射线吸收精细结构谱表明，阴极和阳极沉积得到的两种Ir单原子具有不同的价态和配位环境。进一步研究表明，这种差异是由于阴极和阳极沉积时沉积物种不同以及阴极和阳极发生的氧化还原反应不同造成的。

此外，研究人员还探究了沉积条件（前驱体浓度、沉积循环次数和沉积速率）对单原子形成的影响，发现当金属负载量低于一定限度时，可以获得单个原子；高于此限度时，则会形成金属团簇或颗粒，这种变化类似于液相中晶体生长的成核过程。为证明该方法的普适性，研究人员在氢氧化钴、硫化钼、氧化锰和氮掺杂碳等基底上成功获得了覆盖3d、4d和5d金属的单原子催化剂。在对制备的单原子催化剂的结构进行表征后发现，阴极和阳极沉积获得的同一种单原子催化剂具有不同的电子结构，这使得它们可以应用于不同的催化反应。

氢氧化钴纳米片的红外单原子结构表征

研究人员还对所得到的单原子催化剂在电催化水分解反应中的性能进行了探究。实验结果表明，部分沉积在阴极的催化剂在电催化析氢反应中表现出优异的性能，尤其是负载在钴铁硒化物基底上的铱单原子催化剂，可以在过电位仅为 8 mV 的情况下获得 10 mA/cm2 的电流密度。同时，部分沉积在阳极的催化剂在电催化析氧反应中也表现出良好的性能。

研究人员进一步通过阴极和阳极沉积的方法，在泡沫镍上生长的钴铁硒化物基底上制备了铱单原子，并分别作为阴极和阳极进行电催化全水分解反应。电化学测试表明，该体系仅需1.39 V的电位就能获得10 mA/cm2的全水分解电流密度，打破了碱性电解液中的最低电位记录。

这种普适性的单原子催化剂制备方法不仅为单原子催化领域注入了新的活力，也为今后系统研究催化剂结构与性能之间的关系提供了新思路。

该研究得到了国家杰出青年科学家基金、国家重点研发计划、中科院前沿科学重点研究项目、安徽省联合基金重点项目等项目的支持。