最近研究發(fā)現(xiàn)，與基于納米材料的同類產(chǎn)品相比，單原子催化劑顯示出優(yōu)異的活性。這是因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)崿F(xiàn)高達(dá)100%的原子利用率，而在納米顆粒中，只有表面原子可用于反應(yīng)。然而，由于單金屬原子中心的簡(jiǎn)單性，對(duì)催化劑進(jìn)行進(jìn)一步改造以進(jìn)行復(fù)雜的多步驟反應(yīng)是相當(dāng)困難的。

鎳單原子，b）鈷單原子，c）鎳鈷單原子二聚體（NiCO-SAD-NC），d）鎳鈷異質(zhì)納米粒子催化劑的表示模型  ▲ 

改造單原子的最簡(jiǎn)單方法是把它們變成單原子二聚體，即把兩個(gè)不同的單原子結(jié)合在一起。由于兩個(gè)不同原子之間的協(xié)同作用，用二聚體調(diào)控單原子催化劑的活性部位可以改善反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。然而，雖然單原子二聚體結(jié)構(gòu)的合成和鑒定在概念上是已知的，但其實(shí)際制備卻非常困難。

成均館大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)研究所（IBS）綜合納米結(jié)構(gòu)物理中心副主任LEE Hyoyoung領(lǐng)導(dǎo)的研究小組解決了這個(gè)問題。IBS研究小組成功開發(fā)了一種原子分散的Ni-Co二聚體結(jié)構(gòu)，它穩(wěn)定的附著在氮摻雜碳的支撐骨架上，被命名為NiCo-SAD-NC。通過原位誘捕Ni/Co離子進(jìn)入聚多巴胺球體，然后在精確控制的氮（N）配位下進(jìn)行熱解，在N摻雜的碳支撐物上合成了Ni-Co單原子二聚體結(jié)構(gòu)。該研究采用了最先進(jìn)的透射電子顯微鏡和X射線吸收光譜，成功地以原子級(jí)的精度確定了這些NiCo-SAD點(diǎn)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在氬氣環(huán)境下于800℃退火兩小時(shí)是獲得二聚體結(jié)構(gòu)的最佳條件。其他單原子二聚體，如CoMn和CoFe也可以用同樣的方法合成，這證明了他們策略的通用性。

研究小組從驅(qū)動(dòng)析氫反應(yīng)所需的過電位方面評(píng)估了這個(gè)新系統(tǒng)的催化效率。在酸性和堿性介質(zhì)中，NiCo-SAD-NC電催化劑的過電壓水平與商業(yè)鉑基催化劑相當(dāng)。在堿性介質(zhì)中，NiCo-SAD-NC還表現(xiàn)出比Ni/Co單原子催化劑和異質(zhì)NiCo納米顆粒高8倍的活性。同時(shí)，它在酸性介質(zhì)中的活性分別比Co和Ni單原子催化劑高17倍和11倍，比傳統(tǒng)的Ni/Co納米顆粒高13倍。

此外，研究人員證明了這種新催化劑的長期穩(wěn)定性，它能夠驅(qū)動(dòng)反應(yīng)50小時(shí)而不發(fā)生任何結(jié)構(gòu)變化。與其他單原子二聚體和Ni/Co單原子位點(diǎn)相比，NiCo-SAD表現(xiàn)出卓越的水解作用和最佳的質(zhì)子吸附作用，根據(jù)密度泛函理論模擬，提升了pH通用催化劑的活性。

該研究發(fā)表在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的世界知名期刊Nature Communications（IF 14.92）上。