酷炫！一招合成7类单原子催化剂，二维材料有奇效！

微著

2020-09-14

第一作者：Yi Shi

通讯作者：夏兴华

通讯单位：南京大学

本文要点：

1. 发展了一种表面限域室温电沉积策略

2. 实现了金属单原子催化剂的普适性制备。

单原子催化剂无疑是当今科研领域最具活力的研究方向之一。理论上100%的原子利用率，独特的金属配位环境，赋予了单原子催化剂无与伦比的荣光。

然而，单原子催化剂的实用化至少还面临两个最基本的问题：

1）不够稳定：从热力学的角度而言，单个金属原子的表面自由能太高，总是倾向于聚集在一起形成团簇或者纳米颗粒。

2）不够普适：一种方法往往只适合于一种单原子催化剂的制备，想要拓展到各种各样的体系中，依然存在挑战。

虽然，这样那样的物理和化学方法都在朝普适性制备稳定的单原子催化剂努力，但任然不尽如人意。大多数的方法要么依赖于昂贵的设备和复杂的技术，要么需要使用高温/高压等苛刻的条件。除此之外，金属负载量太低，制备过程周期太长等等，都成为了阻碍单原子催化剂规模化应用的关键因素。

因此，发展简易的、普适性的、稳定的制备单原子催化剂普的方法，至关重要。

成果简介

有鉴于此，南京大学夏兴华等人报道了一种表面限域的室温电沉积技术，通过使用特定基底定位策略，实现了在室温条件下快速制备原子级分散金属催化剂，该策略可拓展到至少12种金属原子体系中。

图1. 制备策略

要点1. 制备方法

研究人员将以剥离的MoS₂为基底，通过欠电位沉积使非贵金属单原子金属定位生长，并被硫原子锚定，以实现其热力学稳定性。然后，通过电流置换策略，将贵金属单原子进行置换，从而获得了目标中的原子级分散金属催化剂。

大量实验证明，该策略可以扩展到多种其他多种金属单原子催化剂的合成，包括Pt，Pd，Rh，Cu，Pb，Bi，Sn等等，具有极强的普适性。

图2. Pt-SAs/MoS₂催化剂表征

要点2. 机理

研究人员认为，定点电沉积可形成热力学有利的金属-载体键，然后使金属键的形成自动终止，从而避免了金属单原子的聚集生长。

图3. 机理与普适性

要点3. 催化性能

所制备的Pt-SAs/MoS₂原子级分散金属催化剂在HER反应中显示出优异的活性和稳定性，Tafel斜率为31mV dec⁻¹，交换电流密度高达2.24mAcm⁻²，可媲美目前性能最佳的电催化单原子催化剂。

图4. Pt-SAs/MoS₂电催化性能

小结

总之，这项研究发展了一种表面限域室温电沉积策略，实现了金属单原子催化剂的普适性制备，为单原子催化剂的研究提供了新思路。

参考文献

Yi Shi et al. Site-specific electrodepositionenables self-terminating growth of atomically dispersed metal catalysts. NatCommun 2020, 11, 4558.

DOI：10.1038/s41467-020-18430-8

https://doi.org/10.1038/s41467-020-18430-8