記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校姚濤教授課題組發(fā)展原位同步輻射吸收譜學(xué)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)鉑(Pt)單原子催化劑在電催化還原反應(yīng)中的近自由演變的動力學(xué)行為，這種動力學(xué)演變極大促進(jìn)了鉑單原子催化劑在廣泛pH電解液中的析氫性能。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在《自然·通訊》上。
精確探測催化劑在服役狀態(tài)下原子尺度結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化過程對于催化劑的理性設(shè)計具有重要意義。其中，單原子催化劑由于其高的原子利用效率、優(yōu)異的反應(yīng)活性和選擇性，成為近年來能源催化領(lǐng)域的明星材料。單原子催化劑的活性和選擇性高度取決于其金屬原子的局域原子和電子結(jié)構(gòu)，及其與載體間的相互作用。然而，單原子催化劑在實際反應(yīng)狀態(tài)下，受到溫度、電場、光照等外界環(huán)境激發(fā)，會發(fā)生結(jié)構(gòu)演變的響應(yīng)，因此，原位實時在線表征這種特殊的結(jié)構(gòu)響應(yīng)行為，對于理解單原子催化的本質(zhì)并發(fā)現(xiàn)新的催化現(xiàn)象具有重要的啟發(fā)意義。
科研人員發(fā)展了同步輻射原位X射線吸收譜學(xué)技術(shù)，選取活性位點高度均一的鉑單原子催化劑作為模型催化劑，實時監(jiān)測鉑單原子位點在電還原工作狀態(tài)下的演變過程。觀察到在一定還原電壓下，鉑原子和載體上原子的配位減少，鉑價態(tài)降低，鉑的電子結(jié)構(gòu)接近自由單原子。理論計算表明，經(jīng)過這種動態(tài)演變，鉑原子的d帶結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，促進(jìn)了鉑單原子活性位點對水分子的吸附，并有利于氫中間體的吸附和脫附，從而使得該催化劑在廣泛pH的電解液中都具有優(yōu)異的析氫性能。
這項研究成功地發(fā)現(xiàn)了在電催化還原的工作狀態(tài)中一種普適的近自由單原子動態(tài)演變，為今后能源催化劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計和調(diào)控提供了新的思路。(記者 吳長鋒)
關(guān)鍵詞： 單原子近自由催化
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