中國科大利用原位同步輻射發現單原子催化動力學行為

　　在能源催化領域中，精確探測催化劑在服役狀態下原子尺度結構的動態變化過程對于催化劑的理性設計具有重要意義。近幾十年，科學家對納米尺度材料的深入理解和可控構筑極大地促進了催化科學的基礎和應用研究的發展。其中，單原子催化劑由于其高的原子利用效率、優異的反應活性和選擇性，成為了近年來能源催化領域的明星材料。單原子催化劑的活性和選擇性高度取決于其金屬原子的局域原子和電子結構，及其與載體間的相互作用。然而，單原子催化劑在實際反應狀態下，受到溫度、電場、光照等外界環境激發，會發生結構演變的響應，因此，原位實時在線表征這種特殊的結構響應行為對于理解單原子催化的本質并發現新的催化現象具有重要的啟發意義。同步輻射X射線吸收譜是描繪催化中心局域空間和電子結構最強有力的工具之一，能在實際催化環境中實現固、液、氣態樣品的原位探測。因此，高亮度和高靈敏的先進同步輻射光源為研究這一亟待突破的問題提供了契機。

　　近日，中國科學技術大學教授姚濤課題組發展原位同步輻射吸收譜學技術，發現鉑（Pt）單原子催化劑在電催化還原反應中的近自由演變的動力學行為（下圖），這種動力學演變極大促進了Pt單原子催化劑在廣泛pH電解液中的析氫性能。相關研究成果以Uncovering near-free platinum single-atom dynamics duringelectrochemical hydrogen evolution reaction 為題，發表在《自然-通訊》上（Nature Communications 11, 1029 (2020)）。論文的第一作者是中國科大碩士生方師。

　　研究團隊發展同步輻射原位X射線吸收譜學技術，選取活性位點高度均一的Pt單原子催化劑作為模型催化劑，實時監測Pt單原子位點在電還原工作狀態下的演變過程。觀察到在一定還原電壓下，Pt原子和載體上C/N原子的配位減少，Pt價態降低，Pt的電子結構接近自由單原子。理論計算表明，經過這種動態演變，Pt原子的d帶結構得到優化，促進了Pt單原子活性位點對水分子的吸附，并有利于氫中間體的吸附和脫附，從而使得該催化劑在廣泛pH的電解液中都具有優異的析氫性能。這項研究成功地利用原位X射線譜學技術精確表征了Pt1/N-C單原子催化劑的三維原子和電子結構，還發現了在電催化還原的工作狀態中一種普適的近自由單原子動態演變，為今后能源催化劑的結構設計和調控提供了新的思路。

　　該研究受到國家自然科學基金委、中科院青年創新促進會專項資金、科技部重點研發計劃等的資助。

圖：單原子Pt催化劑的原位同步輻射表征及近自由結構演變過程