中國科大電化學沉積法製備鉬鈷等34種單原子催化劑

2020-12-05 騰訊網

近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心和化學物理系曾傑教授、周仕明副教授研究團隊發展出了一套利用電化學沉積製備單原子催化劑的普適性方法，利用該方法研究人員成功製備出了34種單原子催化劑，覆蓋了鉬、鈷、錳等多種過渡金屬和襯底。相關成果發表在《自然 通訊》上。

單原子催化劑因為具有最大化的原子利用率和獨特的電子結構，在水解、氧還原、二氧化碳加氫、甲烷轉化等化學反應中受到了廣泛關注。但目前合成單原子催化劑的方法對單原子和襯底都有比較高的要求，還不能實現在任何襯底上製備任何的金屬單原子催化劑，因此，發展對襯底和金屬無選擇性的普適性單原子合成方法具有重要意義。

△電化學沉積製備單原子的機理研究

中國科大研究人員在電化學三電極體系下進行電化學沉積，並通過陰極沉積和陽極沉積獲得了兩種Ir1/Co(OH)2單原子催化劑。通過X射線吸收精細結構譜發現，陰極和陽極沉積獲得的兩種Ir單原子具有不同的價態和配位環境。進一步的研究表明，這一差異是由於陰極、陽極沉積過程中不同的沉積物種以及陰、陽極上發生的不同氧化還原反應造成的。

此外，研究人員又探究了沉積條件（前驅體濃度、沉積圈數和沉積速率）對單原子形成的影響，發現當金屬的負載量低於某一限度時，可以獲得單原子；高於這一限度時則有金屬團簇或顆粒形成，這一變化類似於液相中晶體生長中的成核過程。為了證明該方法的普適性，研究人員又在氫氧化鈷、硫化鉬、氧化錳、氮摻雜的碳等襯底上成功獲得覆蓋3d、4d、5d金屬的單原子催化劑，並且對所製備的單原子催化劑的結構表徵後發現，陰極和陽極沉積獲得的同一單原子催化劑具有不同的電子結構，這為其在不同催化反應中的應用提供了可能。

△氫氧化鈷納米片上紅外單原子的結構表徵

研究人員還對所得單原子催化劑在電催化水分解反應中的性能進行了探究。實驗結果表明，陰極沉積所得的一些催化劑在電催化析氫反應中表現出了優異的性能，尤其是負載在硒化鈷鐵襯底上的銥單原子催化劑僅需8 mV的過電勢即可獲得10 mA/cm2的電流密度。同時，陽極沉積所得的一些催化劑在電催化析氧反應中也表現出了良好的性能。

研究人員進一步通過陰極和陽極沉積將銥單原子沉積在生長到泡沫鎳上的硒化鈷鐵襯底上，並分別作為電催化全水解反應的陰極和陽極。電化學測試表明，該系統僅需1.39 V的電勢即可獲得10 mA/cm2的全水解電流密度，突破了在鹼性電解質中的最低電勢記錄。

該製備單原子催化劑的普適性方法不僅為單原子催化領域注入了新的活力，而且為今後系統性研究催化劑結構和性能之間的關係提供了新的思路。

該項研究得到了國家傑出青年科學基金、國家重點研發計劃、中科院前沿科學重點研究項目、安徽省聯合基金重點項目等項目的支持。

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