喬世璋最新《Angew》單原子催化劑獲重要進展_風聞

單原子催化劑(SACs)是近年來出現的一類集均相和多相催化劑優點於一身的重要電催化劑。這項工作為明確的SACs提供了一種通用和多用途的合成方法，並強調了局部配位環境對電催化活性和選擇性的關鍵作用。它有望為SACs的進一步發展開闢新的途徑，並可推廣到其他重要的多電子電催化系統

單原子催化劑(SACs)具有很大的電催化潛力。通過調控中心金屬原子、相鄰配位摻雜劑和金屬負載，可以合理優化其性能。但由於其合成方法的侷限性和對結構物性關係認識的不足，仍面臨着較大的挑戰。近期，澳大利亞阿德萊德大學的喬世璋團隊報道了一種新型鉬SAC，它具有獨特的O、S-雙配位和高的金屬負荷，超過10 wt%。相關研究結果以題為“Coordination Tunes Selectivity: Two‐Electron Oxygen Reduction on High‐Loading Molybdenum Single‐Atom Catalysts”於03月21日發表在“Angewandte Chemie International Edition”上。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/anie.202003842

單原子催化劑(SACs)是近年來出現的一類集均相和多相催化劑優點於一身的重要電催化劑。通過改變中心金屬原子(如Pt、Ru、Fe、Co、Ni、Cu等)、相鄰的配位摻雜劑(N、O、S等)和配位數，可以合理地調整其單原子幾何結構和電子結構，從而使該材料平台具有靈活的反應可調性。例如，原子分散的Fe-Nx-C是研究最廣泛的通過4e-途徑進行氧還原反應(ORR)的SACs，而Fe-Ox-C和Co-Nx-C都曾被報道過對2e-途徑具有高度選擇性。

這種多電子反應途徑的柔性可調性為SACs實現獨特的電催化性能提供了巨大的機遇。儘管在設計和製造用於各種反應的不同類型的SACs方面已經付出了大量的努力，除了傳統的金屬-Nx-C分子外，對局部配位結構的定製仍關注較少。由於設計良好且結構可調的靶向SACs的合成方法有限，因而阻礙了其發展。此外，準確地確定SACs的局部環境仍然是困難的，這就使得建立結構和性能之間的確定的相關性變得困難。在合成或反應中，孤立的金屬原子傾向於遷移和聚集。至此，合成高金屬負載(>10 wt%)和大規模生產的單原子位點具有很高的挑戰性，而這對SACs的實際應用至關重要。

此文中，研究者通過混合前驅體的MgO-模板熱分解，成功地製造了一種新型的Mo SACs。協同的葡萄糖螯合和缺陷捕獲的共同作用，使得金屬負載量可高於10 wt%。利用HAADF-STEM和XANES在原子水平上的表徵，確定了Mo單原子的局域結構和配位環境，具有獨特氧硫雙配位。該材料經2e-途徑顯示出明顯的ORR性能，H2O2選擇性高於95%。通過電化學測試和理論計算相結合，Mo單原子複合物被認為是高選擇性2e- ORR途徑的活性來源，結果表明，Mo-S4-C和Mo-O3S-C等特定的局部配位對吸附行為和反應途徑有顯著影響，因而具有很高的活性和選擇性。

圖1 Mo1/OSG-H樣品的結構表徵

圖2 Mo1/OSG-H的光譜特徵

圖3 Mo1/OSG-H樣品用於2e- ORR的電催化性能

圖4 O、S摻雜石墨烯支撐單Mo原子的反應機理

這項工作為明確的SACs提供了一種通用和多用途的合成方法，並強調了局部配位環境對電催化活性和選擇性的關鍵作用。它有望為SACs的進一步發展開闢新的途徑，並可推廣到其他重要的多電子電催化系統，如CO2還原和N2還原反應等。（文：水生）

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