近日，我所太陽能研究部太陽能制儲氫材料與催化研究組（DNL1621組）章福祥研究員、范文俊博士與西北工業大學段志遙教授等合作，提出通過構筑載體與分子催化劑雜化型單原子催化劑（HSAC），實現理性開發目標催化劑的新思路。合作團隊以電催化氧化還原反應（ORR）為模型，基于分子催化劑結構明確、微觀結構可調等特性，通過理論模擬優化篩選與高通量實驗相結合，可高效優化出鈷基雜化單原子目標催化劑（Co-HSAC），其在堿性ORR中合成雙氧水選擇性高于95%，在流動池300 mA/cm2下穩定25小時以上。
自2011年我所張濤院士等人原創性提出“單原子催化”概念以來，單原子催化劑（SACs）的設計開發在熱催化、電催化、光催化、生物質轉化等領域受到了廣泛關注。然而，目標單原子催化劑的理性設計開發仍然受到活性位點結構不明確、“構效關系”不十分清晰等因素制約。
本工作中，合作團隊充分利用分子催化劑結構明確、具有可調性等特點，通過密度泛函理論（DFT）計算與實驗驗證相結合，從具有不同單金屬活性中心的酞菁分子催化劑中篩選出酞菁鈷分子催化劑作為電催化ORR選擇性還原至雙氧水的潛力催化劑，繼而利用軸向配位與碳納米管連接，有效構筑出Co-HSAC目標單原子催化劑，實現了高電流密度下高選擇性ORR還原。此外，合作團隊通過原位XAFS等測試表征，闡述了其微觀結構動態變化，獲得了明確催化結構與性能的關系。研究結果表明：這種雜化型單原子催化劑HSACs不僅發揮了分子催化劑自身結構可調優點，而且可通過與載體不同連接方式進一步調變其電子結構與性能，充分發揮了單原子催化劑兼顧均相催化和多相催化優勢的特點。HSACs有望成為一種獨特類型的單原子催化劑廣泛應用于各類催化反應，其研究范式也有望拓展至其它雜化型雙/多原子催化劑的理性開發應用。
相關工作以“Rational design of heterogenized molecular phthalocyanine hybrid single-atom electrocatalyst towards two-electron oxygen reduction”為題，于近日發表在《自然—通訊》（Nature Communications）上。該工作第一作者為DNL1621組助理研究員范文俊。相關研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的支持，以及北京、上海光源機時的支持。（文/圖 范文?。?/p>
