Single-atom katalysator (SAC) is een conceptuele brug tussen homo- en heterogene katalyse. Het biedt nieuwe mogelijkheden voor het vastleggen van de reactietussenproducten door de actieve plaatsen te identificeren, en zelfs het volgen van het dynamische gedrag van zowel de geometrische structuur als de elektronische omgeving van de katalytische locaties op atomaire schaal.

Zowel de verkenning van model SAC's met een bepaalde micro-omgeving als de ontwikkeling van nieuwe operandotechnieken met een hoge atomaire resolutie zijn significant, maar toch uitdagend.

Onlangs, een onderzoeksteam onder leiding van prof. Huang Yanqiang en prof. Zhang Tao van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) van de Chinese Academie van Wetenschappen en hun medewerkers rapporteerden hun bevindingen over elektronische en structurele dynamiek van katalytische centra in een enkel Fe-atoom materialen onder in situ zuurstofreductiereactie (ORR) omstandigheden.

De studie is gepubliceerd in Chemo op 20 november.

De onderzoekers synthetiseerden single-Fe-atoomkatalysatoren met een goed gecontroleerde sitedichtheid en een duidelijke N-coördinatieomgeving via een solvent-assisted linker exchange (SALE) -methode. Ze gebruikten het als het modelsysteem voor het begrijpen van het ORR-mechanisme op elektronisch niveau.

"We hebben voor het eerst Operando Mossbauer-spectroscopie ontwikkeld om de exacte structuren en spintoestand van actieve atomair gedispergeerde Fe-groepen tijdens ORR te identificeren, " zei prof. Huang.

Door te combineren met operando Raman en röntgenabsorptiespectroscopie (XAS) metingen, evenals dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) studies, de onderzoekers bewezen dat de potentieel-relevante structurele en elektronische evoluties van de actieve enkelvoudige Fe-atoomgroepen waren via het direct vastleggen van de *O ₂ - en *OH-tussenproducten onder ORR-condities.

Deze resultaten leverden een proof of concept voor de integratie van operandotechnieken en SAC's, die de weg zou kunnen wijzen naar het inzicht op elektronisch niveau in de katalytische centra en het reactiemechanisme.