火山型关系研究揭示金属负载与酸性氧释放之间的新相关性

中国科学技术大学闫文胜教授领导的研究团队在ACSCatalysis上发表的一项研究中揭示了单原子催化剂中金属负载量与酸性氧析出反应(OER)活性之间的“火山型”关系。

如何制备高金属负载量的原子级分散金属催化剂是单原子催化领域的一大难题，阐明高负载下金属间微观电子相互作用的复杂关系及其对宏观催化行为的影响，对改进和优化金属负载策略具有重要意义。

研究人员采用简单的P锚定策略，成功合成了一系列Ir单原子催化剂(x-IrPN3@C)，金属负载量从5%到21wt%不等，通过同步辐射XAS光谱，研究小组明确了Ir-P配位结构的存在是实现高Ir原子负载量的内在原因。

这种配位结构使Ir原子稳定，在高负载下不易发生团聚，催化性能测试表明，该催化剂的金属负载量与酸性析氧反应(OER)催化活性之间的关系并非简单的“正相关”，而是独特的“火山型”关系。

研究团队借助XAS(X射线吸收光谱)、X射线光电子能谱(XPS)以及理论计算等手段，明确了“火山型”关系的内在机理，发现在一定范围内Ir负载量上升时，活性位点数量增加，从而提升OER催化活性。

然而当负载量超过一定阈值时，相邻Ir原子之间的相互作用增强，导致Ir价态降低，进而降低固有的OER活性。

活性位点数量的增加与其度下固有活性的降低之间的竞争导致了“火山型”曲线。

该研究为设计更高效、经济的单原子催化剂用于各类催化反应提供了理论指导。