通过调控局域原子配位调控单原子催化剂电化学活性
2022年6月9日
近年来，由于具有独特的电子结构和单一活性位点的特性，单原子催化剂（Single atom catalysts，SACs）日益受到人们关注。其中，杂原子掺杂的碳材料是负载单原子催化剂的重要载体，碳负载的杂原子配位单原子催化剂在电化学催化领域有许多重要的应用。因此，实现对单原子的原子结构和电子性质调控是单原子催化剂面临的重要问题之一。
电化学二电子氧还原方法是清洁高效的合成双氧水的重要途径。迄今为止发现的电化学催化剂都包含贵金属，如PtHg、AuPd合金，Pd@AuxPd1-x纳米颗粒等。近日，中国科学院物理研究所杜世萱研究员团队和清华大学王定胜、李亚栋教授课题组合作，使用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法预言了氮、硫、硼等杂原子共掺杂的铟单原子催化剂具有高效二电子电化学氧还原合成双氧水的催化活性。理论计算研究了二十多种氮、硫、硼等杂原子掺杂的铟单原子催化剂结构，计算这些催化剂结构的形成能，寻找具有稳定结构的氮、硫、硼等杂原子掺杂的铟单原子催化剂。理论计算发现，氮、硫、硼三种杂原子共掺杂的铟单原子催化剂不但具有最低的形成能，同时具有最高的二电子电化学氧还原的催化活性。理论计算更进一步发现，在氮配位的铟单原子催化剂基础上，硫原子的引入使催化剂的导带低下移，而硼原子的引入使催化剂的价带顶上移，因此，在三种杂原子共掺杂的情况下，铟单原子催化剂实现了最高效的二电子电化学氧还原活性。实验合成了氮、硫、硼三种杂原子共掺杂的铟单原子催化剂，证实了理论预言的结果，实现了高达95%的双氧水选择性。
相关工作以“Engineering the Local Atomic Environments of Indium Single‐Atom Catalysts for Efficient Electrochemical Production of Hydrogen Peroxide” 为名发表在Angew. Chem. Int. Ed.杂志上。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202117347
近年来，由于具有独特的电子结构和单一活性位点的特性，单原子催化剂（Single atom catalysts，SACs）日益受到人们关注。其中，杂原子掺杂的碳材料是负载单原子催化剂的重要载体，碳负载的杂原子配位单原子催化剂在电化学催化领域有许多重要的应用。因此，实现对单原子的原子结构和电子性质调控是单原子催化剂面临的重要问题之一。
电化学二电子氧还原方法是清洁高效的合成双氧水的重要途径。迄今为止发现的电化学催化剂都包含贵金属，如PtHg、AuPd合金，Pd@AuxPd1-x纳米颗粒等。近日，中国科学院物理研究所杜世萱研究员团队和清华大学王定胜、李亚栋教授课题组合作，使用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法预言了氮、硫、硼等杂原子共掺杂的铟单原子催化剂具有高效二电子电化学氧还原合成双氧水的催化活性。理论计算研究了二十多种氮、硫、硼等杂原子掺杂的铟单原子催化剂结构，计算这些催化剂结构的形成能，寻找具有稳定结构的氮、硫、硼等杂原子掺杂的铟单原子催化剂。理论计算发现，氮、硫、硼三种杂原子共掺杂的铟单原子催化剂不但具有最低的形成能，同时具有最高的二电子电化学氧还原的催化活性。理论计算更进一步发现，在氮配位的铟单原子催化剂基础上，硫原子的引入使催化剂的导带低下移，而硼原子的引入使催化剂的价带顶上移，因此，在三种杂原子共掺杂的情况下，铟单原子催化剂实现了最高效的二电子电化学氧还原活性。实验合成了氮、硫、硼三种杂原子共掺杂的铟单原子催化剂，证实了理论预言的结果，实现了高达95%的双氧水选择性。
相关工作以“Engineering the Local Atomic Environments of Indium Single‐Atom Catalysts for Efficient Electrochemical Production of Hydrogen Peroxide” 为名发表在Angew. Chem. Int. Ed.杂志上。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202117347
图1. （a）理论预测形成能最低的十种氮、硫、硼等杂原子掺杂的铟单原子催化剂结构。（b）理论计算预言的二电子电化学氧还原生成双氧水的自由能。（c）氮掺杂、氮硫掺杂、氮硼掺杂和氮硫硼共掺杂的催化剂电子结构。（d）过渡态（*OOH）的电子态密度。