近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心和化學物理系曾杰教授研究團隊研究發現鈷氧化物負載的銥單原子催化劑在酸性電化學析氧反應中的穩定性與近鄰銥單原子之間的距離密切相關。相關成果以“Distance effect of single atoms on stability of cobalt oxide catalysts for acidic oxygen evolution”為題發表在《自然?通訊》上，我校曾杰教授、周仕明副教授為通訊作者，張志榮特任副研究員、貴州師范大學賈傳義副教授、馬沛宇博士后為該論文的共同第一作者。

設計開發高活性、低成本的電化學析氧催化劑對質子交換膜電解水技術的發展具有重要意義。鈷基尖晶石氧化物具有較高的電化學析氧活性，被認為是一類非常有發展前景的非貴金屬電化學析氧催化劑。然而，在質子交換膜電解水的酸性條件下，鈷基尖晶石氧化物中的鈷原子容易發生溶解，從而導致尖晶石氧化物結構崩塌，這嚴重限制其在質子交換膜電解水技術中的應用。通過向鈷基尖晶石氧化物中引入銥單原子，可以提升鈷基尖晶石氧化物的穩定性。然而，鈷基尖晶石氧化物的穩定性與近鄰銥單原子之間的距離密切相關。因此，亟需從原子尺度探究鈷基尖晶石氧化物穩定性研究中的單原子距離效應。

基于此，研究人員通過在鈷基尖晶石氧化物Cu_0.3Co_2.7O₄中引入不同距離的銥單原子，揭示了銥單原子穩定Cu_0.3Co_2.7O₄時的距離效應。研究表明，銥單原子對Cu_0.3Co_2.7O₄的穩定效應是局域性的，當近鄰銥單原子之間的距離較遠時，銥單原子對Cu_0.3Co_2.7O₄的穩定效應相對獨立，不能穩定整個載體；當近鄰銥單原子之間的距離較近時（d = 0.6nm），近鄰銥單原子對Cu_0.3Co_2.7O₄的穩定效應重合，此時銥單原子可以穩定整個載體。

首先，研究人員建立了不同距離銥單原子的結構模型，研究了不同距離銥單原子對Cu_0.3Co_2.7O₄中鈷原子遷移能的影響。結果發現，隨著銥單原子之間的距離從1.14nm逐漸降低至0.56nm，鈷原子的遷移能從1.63 eV提升到1.83 eV（圖1a，b，c，d）。以上結果表明，當銥單原子之間的距離較遠時，其對Cu_0.3Co_2.7O₄的穩定效應較弱；當銥單原子之間的距離足夠近時，近鄰銥原子對鈷原子的穩定效應會相互疊加，從而穩定整個Cu_0.3Co_2.7O₄催化劑（圖1e）。

圖1. 不同距離銥單原子對鈷原子遷移能的影響。

為了探究不同距離銥單原子對Cu_0.3Co_2.7O₄的穩定效應，研究人員對系列催化劑進行了酸性電化學析氧穩定性評估。結果表明，隨著銥單原子之間的距離從1.1 nm縮短到0.6 nm，催化劑的穩定性逐漸提高。當銥單原子距離為0.6 nm時，該催化劑在1000圈測試后性能仍然保持穩定（圖2a，b），且電解液中幾乎不存在溶解的鈷物種（圖2c）。此外，該催化劑在10 mA cm^-2的電流密度下可以穩定運行60小時，表明其優異的穩定性（圖2d）。

圖2. 不同距離銥單原子的電化學析氧穩定性評估。

以上研究通過理論模擬和電化學穩定性評估證明銥單原子對鈷基尖晶石氧化物的穩定效應與近鄰銥單原子之間的距離密切相關，這為酸性電化學析氧催化劑的理性設計提供了新的思路。此項工作得到國家重點研發計劃項目、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃項目、國家自然科學基金項目等項目的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46176-0

（合肥微尺度物質科學國家研究中心、化學與材料科學學院、科研部）