12月11日，《自然通訊》（Nature Communications）雜志在線刊發(fā)了化學(xué)與化工學(xué)院楊旋教授團(tuán)隊(duì)與華東理工大學(xué)張博威教授的最新合作研究成果“利用原位表面增強(qiáng)紅外吸收光譜闡明銅單原子催化劑的結(jié)構(gòu)-穩(wěn)定性關(guān)系”（Elucidating the structure-stability relationship of Cu single-atom catalysts using operando surface-enhanced infrared absorption spectroscopy, Nature Communications 2023, 14, 8311）
深入理解催化劑的結(jié)構(gòu)-穩(wěn)定性關(guān)系對于開發(fā)高性能清潔能源轉(zhuǎn)換和存儲器件至關(guān)重要。當(dāng)前研究主要聚焦在催化劑的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系上，對于相應(yīng)的結(jié)構(gòu)-穩(wěn)定性關(guān)系研究仍然較少，主要借助于DFT計(jì)算和同步輻射X射線吸收光譜（XAS）技術(shù)。但是，XAS技術(shù)是一種體相表征技術(shù)，對于電化學(xué)表界面的變化不敏感，難以定量分析催化劑表面位點(diǎn)的重構(gòu)。因此，為了進(jìn)一步確定活性位點(diǎn)并且深入理解結(jié)構(gòu)-穩(wěn)定性關(guān)系，定量研究催化劑的性能和結(jié)構(gòu)演變顯得尤為關(guān)鍵。
圖1. 基于原位表面增強(qiáng)紅外吸收光譜技術(shù)定量分析銅單原子催化劑的結(jié)構(gòu)演變
基于此，楊旋教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用原位ATR-SEIRAS技術(shù)定量監(jiān)測四種銅單原子催化劑（Cu/C3N4、CuPc、Cu-NC和Cu-SNC）在CO2RR中的結(jié)構(gòu)演變。原位光譜結(jié)果表明，單原子Cu位點(diǎn)向金屬Cu納米顆粒的演變速率高度依賴于施加的電位，并且隨著電位變負(fù)，其演變速率加快，在?1.2 V（所有的電位都是相對于可逆氫電極）下，形成金屬Cu顆粒的速率相比于?0.6 V時高近兩個數(shù)量級。活性結(jié)果表明，單原子Cu位點(diǎn)是CO2轉(zhuǎn)化為CO的活性點(diǎn)，重構(gòu)生成的金屬Cu位點(diǎn)是CO2轉(zhuǎn)化為C2+產(chǎn)物的活性位點(diǎn)。DFT計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步表明，銅單原子催化劑（Cu SACs）的穩(wěn)定性取決于Cu-X（X為C、N和S等）的形成能，即Cu SACs的穩(wěn)定性與Cu位點(diǎn)和催化劑基底的親和力緊密相關(guān)，親和力越強(qiáng)，穩(wěn)定性越高，控制Cu位點(diǎn)的配位數(shù)以及Cu位點(diǎn)和基底的相互作用能夠調(diào)控Cu SACs的穩(wěn)定性。本工作為深入理解Cu SACs的結(jié)構(gòu)-穩(wěn)定性關(guān)系提供了一種新穎的方法，為理性設(shè)計(jì)和合成高穩(wěn)定SACs提供了理論指導(dǎo)。
圖2. 銅單原子催化劑的結(jié)構(gòu)-穩(wěn)定性關(guān)系
我校為該項(xiàng)工作的第一完成單位及通訊單位，化學(xué)與化工學(xué)院博士生張立為該論文的第一作者，楊旋教授和張博威教授為論文通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（22204054, 52105145, 12274124）、華中科技大學(xué)學(xué)術(shù)前沿青年團(tuán)隊(duì)（2019QYTD11）、武漢市曙光計(jì)劃以及武漢英才計(jì)劃的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-44078-1
