Onderzoekers van de University of Science and Technology of China (USTC) van de Chinese Academy of Sciences (CAS) hebben een strategie gerapporteerd om single-atom katalysatoren (SAC's) te fabriceren. Ze synthetiseerden meer dan dertig verschillende SAC's met 3D tot 5D metaalcentra op verschillende substraten via elektrochemische depositie. Het gedetailleerde onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Over de afgelopen tien jaar, SAC's hebben veel aandacht gekregen voor het katalyseren van watersplitsing, zuurstofreductie, CO ₂ hydrogenering, methaanconversie enzovoort vanwege hun maximale atoomgebruik en unieke elektronische structuren. Echter, deze strategieën stellen over het algemeen speciale eisen aan het verankerde metaal of de steunen. Het blijft een uitdaging om een ​​aanpak te ontwikkelen die toepasbaar is op een breed scala aan metalen en dragers voor de fabricage van SAC's.

In dit onderzoek, de onderzoekers voerden de elektrochemische afzetting van SAC's uit in een standaard systeem met drie elektroden. Door het potentiaalbereik op de werkelektrode af te stemmen, twee verschillende Ir enkele atomen verankerd op Co(OH) ₂ nanobladen (Ir ₁ /Co(OH) ₂ ) werden verkregen uit zowel kathodische als anodische elektrodepositie. X-ray Absorption Fine Structure (XAFS) meetresultaten lieten zien dat deze twee Ir ₁ /Co(OH) ₂ toonde verschillende valentietoestanden en coördinatieomgevingen, die moeten worden toegeschreven aan verschillende deponerende soorten en het redoxproces op de elektrode.

Vervolgens onderzochten ze de effecten van de concentratie van metaalprecursoren, het aantal scancycli, en de scansnelheid op de vorming van SAC's tijdens zowel kathodische als anodische elektrodepositie. De resultaten gaven aan dat het beheersen van de massalading van metaalsoorten onder een bepaald niveau cruciaal is voor het synthetiseren van SAC's. De bovengrens van massabelasting voor SAC's komt overeen met het niveau van minimale oververzadiging op de drager, wat vergelijkbaar is met het moleculaire mechanisme van nucleatie in de synthese in de oplossingsfase.

In de volgende, de onderzoekers hebben met succes 4-D en 5-D metalen op Co(OH) gedeponeerd ₂ nanobladen, 3-D metalen op met stikstof gedoteerde koolstof, en Ir enkele atomen op verschillende substraten om de algemeenheid van deze methode te testen. De enkele dispersie van metaalsoorten werd gevalideerd door structurele karakteriseringen. In de tussentijd, hetzelfde type SAC's van kathodische en anodische elektrodepositie vertoonde ook verschillende elektronische structuren, houdpotentialen in toepassing voor verschillende katalytische reacties. De zoals verkregen SAC's werden toegepast om watersplitsing te katalyseren. Kathodisch gedeponeerde Ir enkele atomen op Co _0,8 Fe _0.2 Se ₂ nanosheets vertoonden een stroomdichtheid van 10 mA cm ^-2 met slechts een overpotentiaal van 8 mV voor waterstofontwikkelingsreactie, terwijl anodisch afgezette Ir-atomen ook uitstekende prestaties vertoonden voor zuurstofontwikkelingsreacties.

Verder, de onderzoekers assembleerden kathodisch en anodisch gedeponeerd Ir enkel atoom in een cel met twee elektroden voor algehele watersplitsing. Om de katalysatorbelasting te verhogen voor betere prestaties, de enkele atomen werden gekweekt op Ni-schuim. De elektrochemische metingen suggereerden dat slechts een record-laag potentiaal van 1,39 V nodig was voor een stroomdichtheid van 10 mA cm ^-2 .

De algemeenheid van deze methode biedt niet alleen een gemakkelijke toegang tot een breed scala aan SAC's, maar ook nieuwe wegen naar een diepgaand begrip van katalytische mechanismen.