科学家创造单原子催化剂用于水的高效电氧化

单原子催化剂(SAC)由于其优异的催化活性，一直是能源催化领域的研究热点。在SAC中，金属原子能够直接与载体相互作用，从而最大化金属-载体界面。金属-载体相互作用(MSI)在很大程度上影响单原子催化剂的电子性质和催化性能。

目前，调节金属与载体相互作用的手段一般是更换载体或对催化剂进行氢还原处理，这可能会导致载体发生变化或牺牲催化剂的稳定性。因此，迫切需要开发一种在不改变载流子的情况下调节金属-载流子相互作用的方法。

中国科学院合肥微尺度物质科学国家研究中心曾杰教授团队构建单原子催化剂，实现水的高效电氧化使用特定于站点的 MSI。该研究发表在《自然通讯》上。

研究人员采用电化学沉积策略来有效调节固定在镍层状双氢氧化物(Ni LDH)上的铱单原子的位点特异性金属载体相互作用。阴极沉积驱动Ir原子锚定到三中性空位(Ir 1 /Ni LDH-T)，阳极沉积驱动Ir原子锚定到氧空位(Ir 1 /Ni LDH-V)。Ir原子和载体之间的强MSI诱导活性位点从Ni位点转换为Ir位点，优化中间体的吸附强度，从而提高催化活性。

研究人员发现，根据电化学沉积原理和X射线吸收精细结构，Ir 1 /Ni LDH-T的Ir位点与Ni LDH的配位氧之间具有更多的共价键。Ir 1 /Ni LDH-T的 Ni 2p XPS 峰转向高结合能，表明 Ir 1 /Ni LDH-T 中 Ir 单原子的 MSI 更强。

电催化水氧化反应测试结果表明，具有强MSI的Ir单原子催化剂的质量和本征活性分别提高了19.5倍和5.2倍。氧同位素标记原位拉曼光谱表明，在水氧化反应过程中，Ir 1 /Ni LDH-V和Ni LDH中的18 O标记氧很容易与电解质中的16 O原子交换，表明Ni是这两种催化剂的主要活性位点。相反，Ir 1 /Ni LDH-T中的18 O标记的Ni 3+ -O不会被16 O交换，表明Ir是主要的活性位点。

此外，理论计算表明，Ir 1 /Ni LDH-T中较强的MSI优化了含氧中间体的吸附能，从而提高了性能。