I catalizzatori a singolo atomo (SAC), grazie alla loro eccellente attività catalitica, sono stati un argomento caldo nel campo della catalisi energetica. Nelle SAC gli atomi metallici sono in grado di interagire direttamente con i supporti, massimizzando così l'interfaccia metallo-supporto. Le interazioni metallo-supporto (MSI) influenzano ampiamente le proprietà elettroniche dei catalizzatori a singolo atomo e le prestazioni catalitiche.

Attualmente, i mezzi per regolare le interazioni metallo-supporto consistono generalmente nel sostituire il supporto o nel trattare il catalizzatore con riduzione dell'idrogeno, che potrebbe causare cambiamenti nel supporto o sacrificare la stabilità del catalizzatore. Pertanto, è urgentemente necessario lo sviluppo di un metodo per regolare le interazioni dei trasportatori di metalli senza modificare i trasportatori.

Un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Zeng Jie del Centro nazionale di ricerca per le scienze fisiche su microscala di Hefei, l'Università di scienza e tecnologia della Cina (USTC) dell'Accademia cinese delle scienze ha costruito catalizzatori a singolo atomo con un'efficiente elettroossidazione dell'acqua utilizzando MSI specifici del sito. Lo studio è stato pubblicato su Nature Communications .

I ricercatori hanno utilizzato una strategia di deposizione elettrochimica per modulare in modo efficace le interazioni sito-specifiche dei trasportatori di metallo dei singoli atomi di Ir ancorati al doppio idrossido stratificato di Ni (Ni LDH). La deposizione catodica ha spinto gli atomi di Ir ancorati a tripli posti vacanti neutri (Ir₁ /Ni LDH-T) e la deposizione anodica ha spinto gli atomi di Ir ancorati ai siti di posti vacanti di ossigeno (Ir₁ /Ni LDH-V). Forti MSI tra atomi di Ir e trasportatori hanno indotto il passaggio di siti attivi da siti Ni a siti Ir, ottimizzando la forza di adsorbimento degli intermedi e aumentando così l'attività catalitica.

I ricercatori hanno rivelato che, in conformità con il principio di deposizione elettrochimica e la struttura fine di assorbimento dei raggi X, Ir₁ /Ni LDH-T ha più legami covalenti tra i siti Ir e l'ossigeno coordinato da Ni LDH. I picchi Ni 2p XPS di Ir₁ /Ni LDH-T è passato ad un'energia di legame elevata, indicando MSI più forti dei singoli atomi di Ir in Ir₁ /Ni LDH-T.

I risultati dei test della reazione elettrocatalitica di ossidazione dell’acqua hanno mostrato che la massa e le attività intrinseche dei catalizzatori a singolo atomo di Ir con forti MSI erano aumentate rispettivamente di 19,5 e 5,2 volte. Gli spettri Raman in situ con etichettatura degli isotopi dell'ossigeno hanno mostrato che i ¹⁸ Ossigeno marcato O in Ir₁ /Ni LDH-V e Ni LDH venivano facilmente scambiati con ¹⁶ Atomi di O nell'elettrolita durante la reazione di ossidazione dell'acqua, suggerendo che Ni fosse il principale sito attivo in questi due catalizzatori. Al contrario, ¹⁸ Ni ³⁺ etichettato con O –O in Ir₁ /Ni LDH-T non verrebbe scambiato da ¹⁶ O, indicando che Ir è il principale sito attivo.

Inoltre, i calcoli teorici hanno rivelato che il MSI più forte è in Ir₁ /Ni LDH-T ha ottimizzato l'energia di adsorbimento degli intermedi ossigenati, migliorando così le prestazioni.

Ulteriori informazioni: Jie Wei et al, Interazione metallo-supporto specifica del sito per cambiare l'attività dei singoli atomi di Ir per la reazione di evoluzione dell'ossigeno, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44815-0

Fornito dall'Accademia cinese delle scienze