【催化】超越电子结构调控的催化性能优化策略
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近年来，单原子催化剂（SAC）由于具有原子利用率最大化和活性位点分散可控等特点，在多相催化领域显示出了卓越的潜力。如何设计获得高性能且具有实际工业应用价值是该类型催化剂目前面临的挑战。近日，
江西师范大学
的
何纯挺
教授团队提出一种
分子间隔策略优化单原子位点的空间密度，超越电子结构调控，有效地提升了催化剂性能。
近年来，研究人员通常采用提高金属原子的负载量以提升SAC中活性位点的数目，从而获得催化性能更高的SAC。但随着金属负载量的增大，金属或活性中心的团聚难以避免，限制了催化剂中有效活性密度的进一步提升。此外，如何使合成的SAC在苛刻的工况条件中保持长期的稳定性也是实际应用时候必须解决的一个重要问题。
何纯挺教授带领的LMEC团队结合多年的分子基材料研究经验，另辟蹊径，提出以共轭有机酸酐作为间隔分子优化酞菁钴位点的空间分布，制备了系列活性密度可调的分子间隔单原子催化剂（msSAC）。该工作揭示了
单原子位点的空间密度是优化催化性能的另一个重要参数；在不明显改变活性位点的总数目和电子结构的情况下，也可以显著地提高有效活性密度，催化传质和催化耐久性
（图1）。
图1. 分子间隔单原子催化剂。
图片来源：
J. Am. Chem. Soc.
该团队设计不同长度的有机酸酐作为间隔分子合成了一系列新型的msSAC。不同长度的酸酐分子不仅可以有效调节催化中心金属原子的利用率，进而显著影响表观活化能，还可以通过位点的空间网格化有效改善电催化过程中的传质和气体扩散（图2）。根据此策略所制备的催化剂CoPc-PM@CNT在1.58 V下，质量活性高达(1.63±.0.01)×
10
5
A•
g
-1
, TO
F
bulk
高达27.7±4.6
s
-1
，优于目前已报道的碱性析氧反应（OER）催化剂。此外，在2.0 A•c
m
-2
的超高电流密度和工业条件下（50 ℃, 6 M KOH），该催化剂表现出优异的稳定性，其降解速率仅为0.1 mA•c
m
-2
geo
•
h
-1
，并能维持99.5%的电流密度长达100小时以上。
图2. 催化剂的活性密度和活性催化比率（左），催化剂的表观活化能与活性密度关系（右）。
图片来源：
J. Am. Chem. Soc.
该研究不仅为优化单原子的空间密度和性能提供了一种友好的分子增强策略，并为设计高效、稳定、低成本的能源催化剂提供了新的视角。
这一成果近期发表在
Journal of the American Chemical Society
上，文章的第一作者是江西师范大学
章佳
博士和
陈豪
硕士。该研究工作得到中山大学陈小明院士的专业指导，并由国家自然科学基金、江西省自然科学基金和江西省“双千计划”资助完成。
Optimizing the Spatial Density of Single Co Sites
via
Molecular Spacing for Facilitating Sustainable Water Oxidation
Jia Zhang
,
‡
Hao Chen
,
‡
Shou-jie Liu, Li-Dong Wang, Xue-Feng Zhang, Jun-Xi Wu, Li-Hong Yu, Xiao-Han Zhang, Sheng-Liang Zhong, Zi-Yi Du, Chun-Ting He,* Xiao-Ming Chen
J. Am. Chem. Soc
.,
2023
, DOI: 10.1021/jacs.3c06665
何纯挺（Chun-Ting He），江西师范大学化学化工学院教授、博士生导师，高等研究院副院长，江西省“十四五”一流化学学科建设“能源催化化学”方向学术带头人。2011和2016年分别获中山大学理学学士和材料物理与化学博士学位（导师：陈小明院士）。2015和2017年先后到清华大学化学系及澳大利亚Griffith大学CCEE研究中心进行访学研究。入选国家级高层次青年人才、中国科协 “青年人才托举工程”、首批中国“博士后创新人才支持计划”、江西省“双千计划”创新领军人才项目。主持国家自然科学基金面上项目和江西省杰青等项目。曾获江西青年科技奖、江西青年五四奖章、广东省自然科学一等奖（4/7）和江西省自然科学一等奖（2/4）。至今已在
Nat. Energy, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Chem. Sci., Adv. Mater.
等国际著名期刊发表高水平论文110余篇，论文他引10000余次，H指数为47，入选2019年英国皇家化学会期刊Top1%高被引作者。兼任中国晶体学会青年工作委员会委员、全国催化材料专家委员会委员、氟硅能源材料与化学教育部重点实验室学术委员会委员和江西省材料学会理事会成员。
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https://www.x-mol.com/university/faculty/354712
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：
起初我们只是想尝试利用不同的有机配体调控酞菁钴中心的电子结构，但是随着研究的深入进行，我们发现结构类似的同系列间隔分子对单原子Co位点的电子结构影响并不显著，但是它们之间的性能却有着巨大的差异，这立刻引起了我们的兴趣。最终，我们发现不同长度的酸酐分子是通过空间网格化调节了催化中心金属原子的有效活性密度，进而提升了催化剂的性能。
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