近日，我所太阳能研究部太阳能制储氢材料与催化研究组（DNL1621组）章福祥研究员、范文俊博士与西北工业大学段志遥教授等合作，提出通过构筑载体与分子催化剂杂化型单原子催化剂（HSAC），实现理性开发目标催化剂的新思路。合作团队以电催化氧化还原反应（ORR）为模型，基于分子催化剂结构明确、微观结构可调等特性，通过理论模拟优化筛选与高通量实验相结合，可高效优化出钴基杂化单原子目标催化剂（Co-HSAC），其在碱性ORR中合成双氧水选择性高于95%，在流动池300 mA/cm2下稳定25小时以上。
自2011年我所张涛院士等人原创性提出“单原子催化”概念以来，单原子催化剂（SACs）的设计开发在热催化、电催化、光催化、生物质转化等领域受到了广泛关注。然而，目标单原子催化剂的理性设计开发仍然受到活性位点结构不明确、“构效关系”不十分清晰等因素制约。
本工作中，合作团队充分利用分子催化剂结构明确、具有可调性等特点，通过密度泛函理论（DFT）计算与实验验证相结合，从具有不同单金属活性中心的酞菁分子催化剂中筛选出酞菁钴分子催化剂作为电催化ORR选择性还原至双氧水的潜力催化剂，继而利用轴向配位与碳纳米管连接，有效构筑出Co-HSAC目标单原子催化剂，实现了高电流密度下高选择性ORR还原。此外，合作团队通过原位XAFS等测试表征，阐述了其微观结构动态变化，获得了明确催化结构与性能的关系。研究结果表明：这种杂化型单原子催化剂HSACs不仅发挥了分子催化剂自身结构可调优点，而且可通过与载体不同连接方式进一步调变其电子结构与性能，充分发挥了单原子催化剂兼顾均相催化和多相催化优势的特点。HSACs有望成为一种独特类型的单原子催化剂广泛应用于各类催化反应，其研究范式也有望拓展至其它杂化型双/多原子催化剂的理性开发应用。
相关工作以“Rational design of heterogenized molecular phthalocyanine hybrid single-atom electrocatalyst towards two-electron oxygen reduction”为题，于近日发表在《自然—通讯》（Nature Communications）上。该工作第一作者为DNL1621组助理研究员范文俊。相关研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持，以及北京、上海光源机时的支持。（文/图 范文俊）
