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利用位點特異性金屬載體相互作用，構筑出可以高效電催化水氧化的單原子催化劑。相關成果以“Site-specific metal-support interaction to switch the activity of Ir single atoms for oxygen evolution reaction”為題發表在《自然?通訊》上，我校曾杰教授、張志榮特任副研究員為通訊作者，魏杰特任副研究員、博士生唐樺、圣利為該論文的共同第一作者。

金屬載體相互作用（MSI）在很大程度上會影響單原子催化劑的電子性質，從而影響催化性能。目前，調控金屬載體相互作用的手段一般是更換載體或者對催化劑進行氫氣還原處理，這會引起載體的變化或者降低催化劑的穩定性。因此，亟需發展一種能夠在不改變載體的前提下調控金屬載體相互作用的方法。

基于此，研究人員采用電化學沉積策略有效地調節了錨定在Ni層狀雙氫氧化物（Ni LDH）上的Ir單原子的位點特異性金屬載體相互作用。陰極沉積驅動Ir原子錨定在三重中空位上（Ir₁/Ni LDH-T），陽極沉積驅動Ir原子錨定在氧空位位點上（Ir₁/Ni LDH-V）。Ir原子與載體之間的強金屬載體相互作用誘導活性位點從Ni位點切換到Ir位點，優化了中間體的吸附強度，從而提高了催化活性。

根據電化學沉積原理及X射線吸收精細結構表征結果，Ir₁/Ni LDH-T在Ir位點與Ni LDH的配位氧之間具有更多的共價鍵，且Ir₁/Ni LDH-T的Ni 2p XPS峰向高結合能偏移，表明Ir₁/Ni LDH-T中Ir單原子具有更強的金屬-載體相互作用。電催化水氧化反應測試結果表明，具有強金屬-載體相互作用的Ir單原子催化劑的質量活性和本征活性分別提高了19.5倍和5.2倍。

圖1.（a）X射線吸收譜近邊結構，(b) X射線吸收譜擴展邊結構，（c）Ni 2pX射線光電子能譜。電化學活性面積校正的（d）極化曲線，（e）過電位和（e）電流密度。

氧同位素標記原位拉曼光譜表明，在水氧化反應過程中，Ir₁/Ni LDH-V和Ni LDH中的¹⁸O標記氧很容易與電解液中¹⁶O原子交換，表明這兩種催化劑中Ni是主要的活性位點。而Ir₁/Ni LDH-T中¹⁸O標記的Ni³⁺-O不會被¹⁶O交換，表明Ir是主要的活性位。此外，理論計算揭示了Ir₁/Ni LDH-T中更強的MSI優化了含氧中間體的吸附能，從而提升了反應性能。

圖2.原位拉曼光譜對反應機理的研究。

以上研究通過電化學沉積策略精準調控單原子的配位環境實現了催化劑的位點特異性金屬載體相互作用，為設計高效的水氧化催化劑提供了新的思路。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/s41467-024-44815-0

（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）