Katalysatoren met één atoom (SAC's) zijn vanwege hun uitstekende katalytische activiteit een veelbesproken onderwerp op het gebied van energiekatalyse. In SAC's kunnen de metaalatomen rechtstreeks interageren met de dragers, waardoor de interface tussen metaal en drager wordt gemaximaliseerd. De metaal-ondersteuningsinteracties (MSI's) beïnvloeden grotendeels de elektronische eigenschappen van katalysatoren met één atoom en de katalytische prestaties.

Momenteel zijn de middelen om de interacties tussen metaal en drager te reguleren doorgaans het vervangen van de drager of het behandelen van de katalysator met waterstofreductie, wat veranderingen in de drager zou kunnen veroorzaken of de stabiliteit van de katalysator zou kunnen opofferen. Daarom is de ontwikkeling van een methode om de interacties tussen metaal en dragers te reguleren zonder de dragers te veranderen dringend nodig.

Een onderzoeksteam onder leiding van prof. Zeng Jie van het Hefei National Research Center for Physical Sciences op microschaal, de University of Science and Technology of China (USTC) van de Chinese Academie van Wetenschappen heeft katalysatoren met één atoom gebouwd met efficiënte elektro-oxidatie van water met behulp van locatiespecifieke MSI's. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications .

De onderzoekers gebruikten een elektrochemische depositiestrategie om de plaatsspecifieke metaal-dragerinteracties van Ir-enkele atomen verankerd op Ni-gelaagd dubbelhydroxide (Ni LDH) effectief te moduleren. Kathodische afzetting zorgde ervoor dat Ir-atomen verankerd raakten in drievoudige neutrale vacatures (Ir₁ /Ni LDH-T) en anodische afzetting zorgden ervoor dat Ir-atomen verankerd raakten aan plaatsen met zuurstofvacatures (Ir₁ /NiLDH-V). Sterke MSI's tussen Ir-atomen en dragers induceerden de wisseling van actieve sites van Ni- naar Ir-sites, waardoor de adsorptiesterkte van de tussenproducten werd geoptimaliseerd en zo de katalytische activiteit toenam.

De onderzoekers onthulden dat, in overeenstemming met het elektrochemische depositieprincipe en de fijne structuur van röntgenabsorptie, Ir₁ /Ni LDH-T heeft meer covalente bindingen tussen de Ir-plaatsen en de gecoördineerde zuurstof uit Ni LDH. De Ni 2p XPS-pieken van Ir₁ /Ni LDH-T verschoof naar hoge bindingsenergie, wat duidt op sterkere MSI's van Ir-enkele atomen in Ir₁ /NiLDH-T.

De testresultaten van de elektrokatalytische wateroxidatiereactie toonden aan dat de massa en intrinsieke activiteiten van Ir-katalysatoren met één atoom en sterke MSI's respectievelijk 19,5 en 5,2 keer waren toegenomen. Raman-spectra met zuurstof-isotopen in situ lieten zien dat de ¹⁸ O-gelabelde zuurstof in Ir₁ /Ni LDH-V en Ni LDH werden gemakkelijk uitgewisseld met de ¹⁶ O-atomen in de elektrolyt tijdens de wateroxidatiereactie, wat suggereert dat Ni de belangrijkste actieve plaatsen in deze twee katalysatoren was. Daarentegen ¹⁸ O-gelabeld Ni ³⁺ –O in Ir₁ /Ni LDH-T zou niet worden uitgewisseld tegen ¹⁶ O, wat aangeeft dat Ir de belangrijkste actieve sites zijn.

Bovendien bleek uit theoretische berekeningen dat de sterkere MSI in Ir₁ /Ni LDH-T optimaliseerde de adsorptie-energie van zuurstofrijke tussenproducten, waardoor de prestaties verbeterden.

Meer informatie: Jie Wei et al., Locatiespecifieke metaalondersteuningsinteractie om de activiteit van afzonderlijke Ir-atomen te schakelen voor een reactie op zuurstofevolutie, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44815-0

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen