近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化與新材料研究室院士張濤、研究員王愛琴、研究員楊小峰等與廈門大學(xué)院士田中群、教授李劍鋒等合作，在氮碳載體上設(shè)計并構(gòu)筑了均勻分散的銅單原子催化劑（Cu-N-C SAC），將其應(yīng)用于堿性電催化氧還原反應(yīng)中，并通過原位X射線吸收光譜技術(shù)（operando-XAS）揭示其在反應(yīng)過程中的可逆動態(tài)演變。
2011年，張濤、李雋、劉景月等首次在國際上報道了Pt1/FeOx單原子催化劑（Nat. Chem.，2011），提出的“單原子催化”迅速成為催化研究的前沿領(lǐng)域（Nat. Rev. Chem.，2018；Acc. Chem. Res.，2013）。與均相催化劑中的金屬有機配合物類似，單原子催化劑的局域配位環(huán)境對其催化性能有非常重要的影響。在前期工作中，張濤和王愛琴團隊利用先進表征技術(shù)研究了氧化物負載的單原子催化劑以及金屬-氮-碳單原子催化劑的局域配位環(huán)境對催化性能的影響（Chem. Sci.，2016；J. Am. Chem. Soc.，2017；Angew. Chem. Int. Ed.，2018；Nat. Commun.，2019；Nat. Commun.，2021），為深入理解單原子催化機理提供了基礎(chǔ)。
研究設(shè)計并構(gòu)筑了均勻分散的銅單原子催化劑并揭示了其在電催化氧還原過程中的動態(tài)演變機理
然而，基于靜態(tài)結(jié)構(gòu)解析的“構(gòu)效關(guān)系”并不能完全反映出反應(yīng)過程中的真實催化機理?；诖?，該合作團隊構(gòu)筑了均勻分散的靜態(tài)Cu-N4單原子催化劑，其在電催化堿性氧還原反應(yīng)中表現(xiàn)出與貴金屬Pt可比的催化活性；利用對金屬中心配位環(huán)境敏感的XANES技術(shù)，觀測到靜態(tài)Cu-N4位點在反應(yīng)過程中存在結(jié)構(gòu)可逆演變；進一步通過FDMNES計算方法，確定Cu-N4在反應(yīng)過程中首先被外加電位驅(qū)動生成新的催化活性位點Cu-N3，并進一步在氧還原反應(yīng)過程中重構(gòu)為HO-Cu-N2結(jié)構(gòu)。該研究為后續(xù)單原子催化劑的動態(tài)研究以及催化劑設(shè)計提供了新思路。
該工作以“Dynamic Behavior of Single-Atom Catalysts in Electrocatalysis: Identification of Cu N3 as an Active Site for the Oxygen Reduction Reaction” 為題，于近日發(fā)表在《美國化學(xué)會志》（Journal of the American Chemical Society）上。該工作的共同第一作者是大連化物所與廈門大學(xué)聯(lián)培博士研究生楊級，青島科技大學(xué)劉文剛副教授、中科院物理所博士研究生許名權(quán)。上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院B類先導(dǎo)專項“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”、潔凈能源國家實驗室（DNL）合作基金、上海光源BL14W線站重點課題等項目的資助。
