Credito:CC0 Dominio Pubblico
I ricercatori dell'Università della scienza e della tecnologia della Cina (USTC) dell'Accademia cinese delle scienze (CAS) hanno segnalato una strategia per fabbricare catalizzatori a singolo atomo (SAC). Hanno sintetizzato più di trenta diverse SAC con centri metallici da 3D a 5-D su diversi substrati tramite deposizione elettrochimica. La ricerca dettagliata è stata pubblicata in Comunicazioni sulla natura .
Nell'ultima decade, Le SAC hanno ricevuto ampie attenzioni nel catalizzare la scissione dell'acqua, riduzione dell'ossigeno, CO 2 idrogenazione, conversione del metano e così via a causa dei loro utilizzi atomici massimizzati e delle strutture elettroniche uniche. Però, queste strategie hanno generalmente requisiti speciali sul metallo ancorato o sui supporti. Rimane una sfida sviluppare un approccio applicabile a un'ampia gamma di metalli e supporti per la fabbricazione di SAC.
In questo studio, i ricercatori hanno condotto la deposizione elettrochimica di SAC in un sistema standard a tre elettrodi. Sintonizzando l'intervallo di potenziale sull'elettrodo di lavoro, due diversi atomi singoli di Ir ancorati su Co(OH) 2 nanofogli (Ir 1 /Co(OH) 2 ) sono stati ottenuti da elettrodeposizione sia catodica che anodica. I risultati della misurazione della struttura fine di assorbimento dei raggi X (XAFS) hanno rivelato che questi due Ir 1 /Co(OH) 2 hanno mostrato diversi stati di valenza e ambienti di coordinazione, che dovrebbe essere attribuito alle diverse specie di deposito e al processo redox sull'elettrodo.
Hanno quindi studiato gli effetti della concentrazione di precursori metallici, il numero di cicli di scansione, e la velocità di scansione sulla formazione di SAC durante l'elettrodeposizione sia catodica che anodica. I risultati hanno indicato che il controllo del carico di massa delle specie metalliche al di sotto di un certo livello è cruciale per la sintesi delle SAC. Il limite superiore del carico di massa per le SAC corrisponde al livello di sovrasaturazione minima sul supporto, che è simile al meccanismo molecolare della nucleazione nella sintesi in fase soluzione.
Nel seguente, i ricercatori hanno depositato con successo metalli 4-D e 5-D su Co(OH) 2 nanofogli, metalli 3-D su carbonio drogato con azoto, e Ir singoli atomi su diversi substrati per testare la generalità di questo metodo. La singola dispersione di specie metalliche è stata convalidata da caratterizzazioni strutturali. Nel frattempo, lo stesso tipo di SAC da elettrodeposizione catodica e anodica mostrava anche differenti strutture elettroniche, potenziali di mantenimento in applicazione per diverse reazioni catalitiche. Le SAC ottenute sono state applicate per catalizzare la scissione dell'acqua. Singoli atomi di Ir depositati catodicamente su Co 0.8 Fe 0.2 Vedi 2 i nanosheet hanno mostrato una densità di corrente di 10 mA cm -2 con solo un sovrapotenziale di 8 mV per la reazione di evoluzione dell'idrogeno, mentre gli atomi di Ir depositati anodicamente hanno anche mostrato eccellenti prestazioni per la reazione di evoluzione dell'ossigeno.
Per di più, i ricercatori hanno assemblato un singolo atomo di Ir depositato catodicamente e anodicamente in una cella a due elettrodi per la scissione complessiva dell'acqua. Al fine di aumentare il caricamento dei catalizzatori per prestazioni migliori, i singoli atomi sono stati cresciuti su schiuma di Ni. Le misurazioni elettrochimiche hanno suggerito che era necessario solo un potenziale record di 1,39 V per una densità di corrente di 10 mA cm -2 .
La generalità di questo metodo fornisce non solo un facile accesso a un'ampia gamma di SAC, ma anche nuove vie per una comprensione approfondita dei meccanismi catalitici.
