我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鈷單原子催化劑活性位點(diǎn)的電化學(xué)敏感性

    析氫反應(yīng)是電化學(xué)水裂解的重要步驟，其中的主要產(chǎn)物氫，在未來能源需求中有著替代化石燃料的大好前景，但規(guī)?；茪涞年P(guān)鍵在于開發(fā)擁有低過電位的高效低成本的電催化劑。在實(shí)際的催化反應(yīng)環(huán)境中，許多催化劑往往可能會因受到反應(yīng)溫度、電勢或吸附物種等多種物理或化學(xué)效應(yīng)的誘導(dǎo)而發(fā)生結(jié)構(gòu)重組。這些局限性阻礙了研究人員對析氫反應(yīng)催化劑在原子水平上的理解，也阻礙了進(jìn)一步合理設(shè)計(jì)出具有堿性電解活性的新型析氫反應(yīng)催化劑，成為催化研究領(lǐng)域亟待突破的重要難題。

    針對該重要科學(xué)難題，在“大科學(xué)裝置前沿研究”重點(diǎn)專項(xiàng)等的支持下，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚濤、韋世強(qiáng)研究組采用原位同步輻射X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（XAFS）技術(shù)，以活性中心結(jié)構(gòu)明確且高度均一的鈷單原子催化劑作為研究對象，利用其原位同步X射線吸收光譜，實(shí)時(shí)監(jiān)測催化劑在堿性電催化析氫反應(yīng)環(huán)境下結(jié)構(gòu)的演變過程。該工作在原子水平上發(fā)現(xiàn)了堿性析氫反應(yīng)條件下鈷單原子催化劑活性位點(diǎn)的電化學(xué)敏感性，證實(shí)了高氧化態(tài)的“HO-Co1-N2”位點(diǎn)是產(chǎn)氫活性的中心，優(yōu)化后的單原子鈷位點(diǎn)的水離解能大大降低，顯著促進(jìn)堿性條件下的水離解，有效地提升了析氫反應(yīng)的活性。相關(guān)研究成果近期發(fā)表在《自然·催化》（Nature Catalysis）上。

    該研究為堿性介質(zhì)中的其他基本電催化反應(yīng)提供了新的見解；為從原子尺度探究催化活性中心結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)；提供了一種發(fā)展單位點(diǎn)催化的協(xié)同工程策略，為開發(fā)高性能單位點(diǎn)催化劑奠定了基礎(chǔ)。