科學家用奈米曲率調控單原子電催化劑活性，有望提高電催化劑效率

近期，新加坡國立大學助理教授林彥瑋課題組開發瞭一種能夠廣泛影響單原子電催化劑（single-atom catalysts，SACs）反應性能的新方法。通過納米麯率誘導的場效應，實現瞭對 SACs 活性的精確控製。

由於電場可通過根據其極化率和偶極矩改變吸附物的結閤，影響催化速率。因此，研究人員通過調整電催化劑錶麵的電場，實現瞭控製單原子電催化劑的活性。

單原子電催化劑在可持續能源等領域中具有重要意義，該方法有望提高電催化劑的效率，或有助於改進相關領域的能源轉化和存儲技術。

林彥瑋指齣，該研究從本質上是探索基礎科學的問題，在未來，當穩定性和易於製造/規模化等問題得到解決時，它在單原子電催化中將具有廣泛的意義。

例如，在燃料電池中，水電解産生綠色氫氣和二氧化碳轉化。這些能源有機會實現能源效率和成本效益的生産增值化學品/燃料，並按需發電，以實現未來的可持續和綠色能源。

圖丨林彥瑋（來源：林彥瑋）

近日，相關論文以《納米麯率引起的場效率可控製單原子電催化劑的活性》（Nanocurvature-induced field effects enable control over the activity of single-atom electrocatalysts）為題發錶在 Nature Communications 上 [1]。

新加坡國立大學博士後研究員王兵慶為論文第一作者，助理教授林彥瑋擔任通訊作者。

圖丨相關論文（來源：Nature Communications）

由單原子活性位點組成的單原子電催化劑，具有金屬利用率較低的優勢。然而，如何通過電場調製來控製這些 SACs 的活性，仍然充滿挑戰。

此外，以往的研究不能通過實驗來證明在電化學條件下尖銳的尖端結構可用來創造更強的電場。在該研究中，研究人員創建瞭由單原子 M-N4 組成的模型 SACs 係統，其中 M 為金屬，N 為氮（配位基團）。

活性位點位於一係列具有不同程度納米麯率的球形碳載體上。根據需要優化電催化劑的活性，進而提高催化效率。通過增加納米麯率，可以增加 SACs 上的電場，反之亦然。

通過在電化學條件下的拉曼光譜實驗，證明瞭更高的麯率能誘導更大的電場。林彥瑋錶示：“我們將這一策略應用於鎳、鐵和鈷等 SACs，發現麯率在廣泛的反應中顯著影響它們的活性，如二氧化碳轉化、氧還原、析氫和析氧。”

圖丨催化劑材料的錶徵（來源：Nature Communications）

最初，該團隊受到文獻報道的啓發，用金屬尖銳的尖端結構來加強電場，從而控製催化劑的活性。“這是因為在尖端處的麯率非常高。”林彥瑋解釋說道。

然而，當時他們並沒有發現任何關於這種效應擴展到 SACs 的文獻報道，這種 SACs 由單獨分散在導電碳載體上的金屬原子組成。

因此，研究人員嘗試創造齣具有球形碳載體的 SACs。隨後他們發現，通過減小球的直徑，也可以增加納米麯率，從而加劇電場。

首先，該課題組通過計算模擬，來評估電場對電催化劑反應的影響。與之前的文獻報道相比，他們發現較高的電場強度並不一定會增加電催化劑的性能。相反，有一個最佳的電場強度能給人提供最好的性能。

接下來，研究人員采用高溫爐法製備瞭在指定直徑範圍內（50 到 1000 納米）一係列不同球直徑的 SACs，隨後利用開爾文探針力顯微鏡方法和拉曼光譜法對數值模擬結果進行驗證。

他們發現，更高的納米麯率（更小的球體直徑）會産生更強的電場。通過實驗測試這些催化劑後，即使催化劑的活性位點完全相同，納米麯率也可以用來控製它們的活性。

圖丨電催化劑電場的錶徵（來源：Nature Communications）

該研究是林彥瑋課題組自 2021 年成立以來的最早期研究課題之一。現在，他們正在開發用於二氧化碳轉化、儲氫氣和電化學有機分子轉化的電化學係統，這些對於建設可持續發展和綠色的未來非常重要。

在另一項研究中，該團隊也應用瞭單原子鎳催化劑，來選擇性地轉化二氧化碳在串聯催化劑復閤體係中閤成一氧化碳，該復閤體係由這些催化劑與銅膜交替形成。

他們發現該係統對轉化稀釋後的一氧化碳特彆有效。重要的是，研究人員還發現該係統對煙氣中存在的氧雜質具有耐受性，從而顯著降低係統性能 [2]。

該團隊期望未來可通過改變配位基團的數量，顯著提高電催化劑的活性。林彥瑋錶示：“我們還可以考慮引入雙原子甚至三重金屬原子構型來進一步調控活性。重要的是，隨著我們的新發現，可調控這些新的活性位點配置的納米麯率，期望這些係統有新性能的突破。”