第一作者：Yi Shi
通訊作者：夏興華
通訊單位：南京大學(xué)
本文要點：
1. 發(fā)展了一種表面限域室溫電沉積策略
2. 實現(xiàn)了金屬單原子催化劑的普適性制備。
單原子催化劑無疑是當(dāng)今科研領(lǐng)域最具活力的研究方向之一。理論上100%的原子利用率，獨特的金屬配位環(huán)境，賦予了單原子催化劑無與倫比的榮光。
然而，單原子催化劑的實用化至少還面臨兩個最基本的問題：
1）不夠穩(wěn)定：從熱力學(xué)的角度而言，單個金屬原子的表面自由能太高，總是傾向于聚集在一起形成團簇或者納米顆粒。
2）不夠普適：一種方法往往只適合于一種單原子催化劑的制備，想要拓展到各種各樣的體系中，依然存在挑戰(zhàn)。
雖然，這樣那樣的物理和化學(xué)方法都在朝普適性制備穩(wěn)定的單原子催化劑努力，但任然不盡如人意。大多數(shù)的方法要么依賴于昂貴的設(shè)備和復(fù)雜的技術(shù)，要么需要使用高溫/高壓等苛刻的條件。除此之外，金屬負(fù)載量太低，制備過程周期太長等等，都成為了阻礙單原子催化劑規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵因素。
因此，發(fā)展簡易的、普適性的、穩(wěn)定的制備單原子催化劑普的方法，至關(guān)重要。
成果簡介
有鑒于此，南京大學(xué)夏興華等人報道了一種表面限域的室溫電沉積技術(shù)，通過使用特定基底定位策略，實現(xiàn)了在室溫條件下快速制備原子級分散金屬催化劑，該策略可拓展到至少12種金屬原子體系中。
圖1. 制備策略
要點1. 制備方法
研究人員將以剝離的MoS2為基底，通過欠電位沉積使非貴金屬單原子金屬定位生長，并被硫原子錨定，以實現(xiàn)其熱力學(xué)穩(wěn)定性。然后，通過電流置換策略，將貴金屬單原子進行置換，從而獲得了目標(biāo)中的原子級分散金屬催化劑。
大量實驗證明，該策略可以擴展到多種其他多種金屬單原子催化劑的合成，包括Pt，Pd，Rh，Cu，Pb，Bi，Sn等等，具有極強的普適性。
圖2. Pt-SAs/MoS2催化劑表征
要點2. 機理
研究人員認(rèn)為，定點電沉積可形成熱力學(xué)有利的金屬-載體鍵，然后使金屬鍵的形成自動終止，從而避免了金屬單原子的聚集生長。
圖3. 機理與普適性
要點3. 催化性能
所制備的Pt-SAs/MoS2原子級分散金屬催化劑在HER反應(yīng)中顯示出優(yōu)異的活性和穩(wěn)定性，Tafel斜率為31mV dec?1，交換電流密度高達2.24mAcm?2，可媲美目前性能最佳的電催化單原子催化劑。
圖4. Pt-SAs/MoS2電催化性能
小結(jié)
總之，這項研究發(fā)展了一種表面限域室溫電沉積策略，實現(xiàn)了金屬單原子催化劑的普適性制備，為單原子催化劑的研究提供了新思路。
參考文獻
Yi Shi et al. Site-specific electrodepositionenables self-terminating growth of atomically dispersed metal catalysts. NatCommun 2020, 11, 4558.
DOI：10.1038/s41467-020-18430-8
https://doi.org/10.1038/s41467-020-18430-8
