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Angew. Chem. :配體軸向修飾單原子催化劑的通用描述符2024-08-15
單原子催化劑(SACs)在電催化領(lǐng)域中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性,因而受到廣泛關(guān)注。用配體軸向修飾活性金屬位點(diǎn)(ACL)是優(yōu)化SAC活性的高效通用策略。然而,目前ACL對(duì)SAC的具體調(diào)節(jié)機(jī)理尚未明晰,亟待深入的研究和理解,以便更好的推進(jìn)單原子催化劑在能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)等領(lǐng)域的應(yīng)用。近日,北京化工大學(xué)的曹達(dá)鵬教授和香港城市大學(xué)的曾曉成講座教授合作,以多種配體軸向修飾單原子催化劑(ACL-SAC)為研究對(duì)象(如圖1),基于其局部構(gòu)型和本征參數(shù),構(gòu)建了一個(gè)通用的結(jié)構(gòu)描述符σ,用以量化配體軸向修飾單原子催化劑ACL SACs的“結(jié)構(gòu)-性能”構(gòu)效關(guān)系。并以結(jié)構(gòu)描述符為基礎(chǔ),提出了一個(gè)可以確定實(shí)驗(yàn)中配體軸向修飾單原子催化劑ACL-SAC限速步驟的新方法。此外,也通過電子結(jié)構(gòu)揭示了ACL可以提高M(jìn)-O鍵的軌道能級(jí),從而削弱金屬對(duì)O中間物種的吸附能力。

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考慮到ACL會(huì)導(dǎo)致材料在反應(yīng)過程中產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)變,因此,對(duì)于配體軸向修飾單原子催化劑ACL-SACs體系,理論團(tuán)隊(duì)提出了使用Frozen slab method(FSM)來計(jì)算氧中間體吸附能,F(xiàn)SM方法能有效地減低反應(yīng)進(jìn)程中材料形變對(duì)吸附能的影響,因此能更準(zhǔn)確地描述配體軸向修飾單原子催化劑ACL-SACs的催化活性。
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基于FSM方法,理論團(tuán)隊(duì)計(jì)算了3d 過渡金屬ACL-SACs的活性,并以此為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集,以4d和5d過渡金屬ACL-SACs為驗(yàn)證數(shù)據(jù)集,構(gòu)建出結(jié)構(gòu)描述符σ(如圖2)。σ僅包含電負(fù)性(EM、EL)、價(jià)電子數(shù)(θv)和Hund修正因子(aHund)三個(gè)原子本征結(jié)構(gòu)參數(shù),因此可以實(shí)現(xiàn)從材料本征結(jié)構(gòu)到催化活性的快速預(yù)測(cè)。描述符σ可以分離為軸向配體描述符σACL和單原子描述符σSAC,便于研究者理解軸向配體ACL對(duì)于單原子催化活性的貢獻(xiàn)。此外,對(duì)于不同方法(FSM方法、隱式溶劑化模型和密度泛函DFT+U等)計(jì)算的吸附能數(shù)據(jù),理論團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)僅僅通過調(diào)節(jié)σ中的系數(shù)a和b (見下面的公式),即可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)到性能的快速預(yù)測(cè),充分表明了σ是一種普適性的結(jié)構(gòu)描述符。
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通過結(jié)構(gòu)描述符σACL和σSAC,理論團(tuán)隊(duì)給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的修飾策略(如上面圖3):1. ???? 由于ACL會(huì)削弱活性中心金屬的吸附能力,所以推薦選取吸附能力較強(qiáng)的金屬作為活性中心。

2.????? 為提高SACs的活性,在電催化氧還原反應(yīng)ORR過程中ACL需要滿足σACL?< 2 × (–1.2 – σSAC);在電催化析氧反應(yīng)OER過程中ACL需要滿足σACL?< 2 × (0.2 – σSAC)

因此預(yù)測(cè)出CrN4-, FeN4-, CoN4-, RuN4-, RhN4-, OsN4-, IrN4– and PtN4-ACLs等配體體系可能具有較高的ORR/OER催化活性。此外,由于ACL配體描述符σACL可單獨(dú)描述ACL對(duì)單原子中心電催化活性的貢獻(xiàn),因此提出了一個(gè)判定實(shí)驗(yàn)中配體軸向修飾單原子催化劑ACL-SAC限速步驟(RLS)的新方法:當(dāng)時(shí),限速步驟RLS為O2?→ OOH*;當(dāng)時(shí),限速步驟RLS為OH* → H2O。該方法可以幫助實(shí)驗(yàn)者理解配體軸向修飾單原子催化劑的催化機(jī)制,從而找到合適的配體改性策略。

文信息
A general descriptor for single-atom catalysts decorated with axial ligandZelong Qiao,?Run Jiang,?Haoxiang Xu,?Dapeng Cao,?Xiao Cheng Zeng

文章的第一作者是北京化工大學(xué)的博士研究生喬澤龍。

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202407812

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