Catalisadores de átomo único (SACs), devido à sua excelente atividade catalítica, têm sido um tema quente no campo da catálise energética. Nos SACs, os átomos metálicos são capazes de interagir diretamente com os suportes, maximizando assim a interface metal-suporte. As interações metal-suporte (MSIs) afetam amplamente as propriedades eletrônicas dos catalisadores de átomo único e o desempenho catalítico.



Atualmente, os meios de regular as interações metal-transportador são geralmente substituir o transportador ou tratar o catalisador com redução de hidrogênio, o que poderia causar alterações no transportador ou sacrificar a estabilidade do catalisador. Portanto, o desenvolvimento de um método para regular as interações metal-portador sem alterar os transportadores é urgentemente necessário.

Uma equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Zeng Jie do Centro Nacional de Pesquisa de Ciências Físicas de Hefei em Microescala, a Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) da Academia Chinesa de Ciências construiu catalisadores de átomo único com eletrooxidação eficiente de água usando MSIs específicos do site. O estudo foi publicado na Nature Communications .

Os pesquisadores empregaram uma estratégia de deposição eletroquímica para modular efetivamente as interações metal-portador específicas do local de átomos individuais de Ir ancorados em hidróxido duplo em camadas de Ni (Ni LDH). A deposição catódica levou os átomos de Ir ancorados em vagas neutras triplas (Ir₁ /Ni LDH-T) e a deposição anódica conduziram átomos de Ir ancorados em locais vagos de oxigênio (Ir₁ /NiLDH-V). Fortes MSIs entre átomos de Ir e transportadores induziram a mudança de sítios ativos de Ni para sítios de Ir, otimizando a força de adsorção dos intermediários e aumentando assim a atividade catalítica.

Os pesquisadores revelaram que, de acordo com o princípio de deposição eletroquímica e a estrutura fina de absorção de raios X, Ir₁ /Ni LDH-T possui mais ligações covalentes entre os locais Ir e o oxigênio coordenado do Ni LDH. Os picos Ni 2p XPS de Ir₁ /Ni LDH-T mudou para alta energia de ligação, indicando MSIs mais fortes de átomos únicos de Ir em Ir₁ /NiLDH-T.

Os resultados dos testes da reação eletrocatalítica de oxidação da água mostraram que a massa e as atividades intrínsecas dos catalisadores Ir de átomo único com MSIs fortes aumentaram em 19,5 e 5,2 vezes, respectivamente. Os espectros Raman in situ da marcação com isótopos de oxigênio mostraram que o ¹⁸ Oxigênio marcado com O em Ir₁ /Ni LDH-V e Ni LDH foram prontamente trocados pelo ¹⁶ Átomos de O no eletrólito durante a reação de oxidação da água, sugerindo que o Ni era o principal sítio ativo nesses dois catalisadores. Por outro lado, ¹⁸ Ni marcado com O ³⁺ –O em Ir₁ /Ni LDH-T não seria trocado por ¹⁶ O, indicando que Ir é o principal sítio ativo.

Além disso, cálculos teóricos revelaram que o MSI mais forte em Ir₁ /Ni LDH-T otimizou a energia de adsorção de intermediários oxigenados, melhorando assim o desempenho.

Mais informações: Jie Wei et al, Interação de suporte de metal específica do local para mudar a atividade de átomos individuais de Ir para reação de evolução de oxigênio, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44815-0
Fornecido pela Academia Chinesa de Ciências