近日，鄭州大學(xué)化工學(xué)院張冰教授課題組在雙原子催化劑研究中取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)通過(guò)雙原子催化劑構(gòu)型精心設(shè)計(jì)和深入解讀，成功調(diào)控出高密度非對(duì)稱(chēng)鐵雙原子催化劑，該催化劑在電化學(xué)水氧化，鋅空電池和陰離子交換膜電解池中具有優(yōu)異性能。

探索高效的水氧化催化劑是將可再生能源轉(zhuǎn)化為燃料所面臨的主要挑戰(zhàn)。單原子催化劑（SACs）因其高原子利用率而受到廣泛關(guān)注。由于SACs僅含有單一活性中心，導(dǎo)致其只能與一種含氧中間體結(jié)合，從而限制了水氧化反應(yīng)的活性。因此，構(gòu)建具有協(xié)同作用的雙原子催化劑顯得尤為重要。為此，研究團(tuán)隊(duì)合理設(shè)計(jì)了在高度缺陷的氮摻雜碳納米片上構(gòu)建非對(duì)稱(chēng)氮、硫配位的雙原子鐵中心。該鐵雙原子催化劑在堿性介質(zhì)中展現(xiàn)出優(yōu)異的水氧化性能，在10 mA cm?2下，該催化劑的過(guò)電位僅為193 mV，比商用RuO?低62 mV，優(yōu)于大多數(shù)已報(bào)道的水氧化電催化劑。此外，該鐵雙原子催化劑展現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性，在水氧化過(guò)程中運(yùn)行時(shí)間超過(guò)2000小時(shí)，并能夠維持97%的活性。理論計(jì)算表明，非對(duì)稱(chēng)催化劑中鐵雙原子的自發(fā)電極化顯著增強(qiáng)了水氧化反應(yīng)的活性。

研究成果以“High-density asymmetric iron dual-atom sites for efficient and stable electrochemical water oxidation”為題，發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《Nature Communications》上。鄭州大學(xué)化工學(xué)院為第一單位，張黎麗博士生為論文第一作者，鄭州大學(xué)尚會(huì)姍研究員、王景濤教授、江蘇大學(xué)孫中體教授和北京理工大學(xué)陳文星教授為共同通訊作者。

該研究得到了國(guó)家區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)青年基金、河南省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目等資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53871-5

鐵雙原子催化劑的合成示意圖