乔世璋最新《Angew》单原子催化剂获重要进展_风闻

单原子催化剂(SACs)是近年来出现的一类集均相和多相催化剂优点于一身的重要电催化剂。这项工作为明确的SACs提供了一种通用和多用途的合成方法，并强调了局部配位环境对电催化活性和选择性的关键作用。它有望为SACs的进一步发展开辟新的途径，并可推广到其他重要的多电子电催化系统

单原子催化剂(SACs)具有很大的电催化潜力。通过调控中心金属原子、相邻配位掺杂剂和金属负载，可以合理优化其性能。但由于其合成方法的局限性和对结构物性关系认识的不足，仍面临着较大的挑战。近期，澳大利亚阿德莱德大学的乔世璋团队报道了一种新型钼SAC，它具有独特的O、S-双配位和高的金属负荷，超过10 wt%。相关研究结果以题为“Coordination Tunes Selectivity: Two‐Electron Oxygen Reduction on High‐Loading Molybdenum Single‐Atom Catalysts”于03月21日发表在“Angewandte Chemie International Edition”上。

论文链接：

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

单原子催化剂(SACs)是近年来出现的一类集均相和多相催化剂优点于一身的重要电催化剂。通过改变中心金属原子(如Pt、Ru、Fe、Co、Ni、Cu等)、相邻的配位掺杂剂(N、O、S等)和配位数，可以合理地调整其单原子几何结构和电子结构，从而使该材料平台具有灵活的反应可调性。例如，原子分散的Fe-Nx-C是研究最广泛的通过4e-途径进行氧还原反应(ORR)的SACs，而Fe-Ox-C和Co-Nx-C都曾被报道过对2e-途径具有高度选择性。

这种多电子反应途径的柔性可调性为SACs实现独特的电催化性能提供了巨大的机遇。尽管在设计和制造用于各种反应的不同类型的SACs方面已经付出了大量的努力，除了传统的金属-Nx-C分子外，对局部配位结构的定制仍关注较少。由于设计良好且结构可调的靶向SACs的合成方法有限，因而阻碍了其发展。此外，准确地确定SACs的局部环境仍然是困难的，这就使得建立结构和性能之间的确定的相关性变得困难。在合成或反应中，孤立的金属原子倾向于迁移和聚集。至此，合成高金属负载(>10 wt%)和大规模生产的单原子位点具有很高的挑战性，而这对SACs的实际应用至关重要。

此文中，研究者通过混合前驱体的MgO-模板热分解，成功地制造了一种新型的Mo SACs。协同的葡萄糖螯合和缺陷捕获的共同作用，使得金属负载量可高于10 wt%。利用HAADF-STEM和XANES在原子水平上的表征，确定了Mo单原子的局域结构和配位环境，具有独特氧硫双配位。该材料经2e-途径显示出明显的ORR性能，H2O2选择性高于95%。通过电化学测试和理论计算相结合，Mo单原子复合物被认为是高选择性2e- ORR途径的活性来源，结果表明，Mo-S4-C和Mo-O3S-C等特定的局部配位对吸附行为和反应途径有显著影响，因而具有很高的活性和选择性。

图1 Mo1/OSG-H样品的结构表征

图2 Mo1/OSG-H的光谱特征

图3 Mo1/OSG-H样品用于2e- ORR的电催化性能

图4 O、S掺杂石墨烯支撑单Mo原子的反应机理

这项工作为明确的SACs提供了一种通用和多用途的合成方法，并强调了局部配位环境对电催化活性和选择性的关键作用。它有望为SACs的进一步发展开辟新的途径，并可推广到其他重要的多电子电催化系统，如CO2还原和N2还原反应等。（文：水生）

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