近日，大連化物所催化與新材料研究室黃延強研究員團隊、能源研究技術(shù)平臺穆斯堡爾譜研究組王軍虎研究員團隊與新加坡南洋理工大學劉彬教授、清華大學李雋教授合作，從實驗和理論上揭示了Fe單原子材料催化中心電子態(tài)和配位結(jié)構(gòu)在電催化氧還原反應(yīng)（ORR）中的動態(tài)循環(huán)。

作為連結(jié)多相催化與均相催化的“橋梁”，單原子催化劑為從原子層面闡明催化劑的構(gòu)-效關(guān)系和揭示催化反應(yīng)機理提供了契機。然而，單原子催化劑在實際反應(yīng)條件下活性位點的精準探測仍極具挑戰(zhàn)。因此，單原子催化中心微環(huán)境（配位環(huán)境和電子結(jié)構(gòu)）的精細調(diào)控和高分辨原位表征裝置的開發(fā)尤為重要。

本研究利用配體交換的合成策略，構(gòu)筑了一系列具有特定電子結(jié)構(gòu)和配位環(huán)境的模型單原子Fe催化劑；成功開發(fā)了可用于單原子催化體系表征的原位57Fe穆斯堡爾譜技術(shù)，實現(xiàn)在電催化ORR反應(yīng)條件下對不同單原子Fe物種電子結(jié)構(gòu)和配位環(huán)境的定量探測；結(jié)合原位X射線吸收光譜、原位拉曼光譜、同步輻射核共振振動能譜和DFT理論計算等手段，揭示了Fe單原子材料在電催化ORR反應(yīng)中催化位點電子態(tài)和配位結(jié)構(gòu)的動態(tài)循環(huán)。該研究結(jié)果為揭開催化電子循環(huán)的黑匣子和高效單原子催化劑的開發(fā)提供了新的思路和契機。

相關(guān)工作以全文的形式發(fā)表于Cell旗下的Chem上。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（B）“能源化學轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”等項目的支持。（文/圖 李旭寧）