科学家用纳米曲率调控单原子电催化剂活性，有望提高电催化剂效率

近期，新加坡国立大学助理教授林彦玮课题组开发了一种能够广泛影响单原子电催化剂（single-atom catalysts，SACs）反应性能的新方法。通过纳米曲率诱导的场效应，实现了对 SACs 活性的精确控制。

由于电场可通过根据其极化率和偶极矩改变吸附物的结合，影响催化速率。因此，研究人员通过调整电催化剂表面的电场，实现了控制单原子电催化剂的活性。

单原子电催化剂在可持续能源等领域中具有重要意义，该方法有望提高电催化剂的效率，或有助于改进相关领域的能源转化和存储技术。

林彦玮指出，该研究从本质上是探索基础科学的问题，在未来，当稳定性和易于制造/规模化等问题得到解决时，它在单原子电催化中将具有广泛的意义。

例如，在燃料电池中，水电解产生绿色氢气和二氧化碳转化。这些能源有机会实现能源效率和成本效益的生产增值化学品/燃料，并按需发电，以实现未来的可持续和绿色能源。

图丨林彦玮（来源：林彦玮）

近日，相关论文以《纳米曲率引起的场效率可控制单原子电催化剂的活性》（Nanocurvature-induced field effects enable control over the activity of single-atom electrocatalysts）为题发表在 Nature Communications 上 [1]。

新加坡国立大学博士后研究员王兵庆为论文第一作者，助理教授林彦玮担任通讯作者。

图丨相关论文（来源：Nature Communications）

由单原子活性位点组成的单原子电催化剂，具有金属利用率较低的优势。然而，如何通过电场调制来控制这些 SACs 的活性，仍然充满挑战。

此外，以往的研究不能通过实验来证明在电化学条件下尖锐的尖端结构可用来创造更强的电场。在该研究中，研究人员创建了由单原子 M-N4 组成的模型 SACs 系统，其中 M 为金属，N 为氮（配位基团）。

活性位点位于一系列具有不同程度纳米曲率的球形碳载体上。根据需要优化电催化剂的活性，进而提高催化效率。通过增加纳米曲率，可以增加 SACs 上的电场，反之亦然。

通过在电化学条件下的拉曼光谱实验，证明了更高的曲率能诱导更大的电场。林彦玮表示：“我们将这一策略应用于镍、铁和钴等 SACs，发现曲率在广泛的反应中显著影响它们的活性，如二氧化碳转化、氧还原、析氢和析氧。”

图丨催化剂材料的表征（来源：Nature Communications）

最初，该团队受到文献报道的启发，用金属尖锐的尖端结构来加强电场，从而控制催化剂的活性。“这是因为在尖端处的曲率非常高。”林彦玮解释说道。

然而，当时他们并没有发现任何关于这种效应扩展到 SACs 的文献报道，这种 SACs 由单独分散在导电碳载体上的金属原子组成。

因此，研究人员尝试创造出具有球形碳载体的 SACs。随后他们发现，通过减小球的直径，也可以增加纳米曲率，从而加剧电场。

首先，该课题组通过计算模拟，来评估电场对电催化剂反应的影响。与之前的文献报道相比，他们发现较高的电场强度并不一定会增加电催化剂的性能。相反，有一个最佳的电场强度能给人提供最好的性能。

接下来，研究人员采用高温炉法制备了在指定直径范围内（50 到 1000 纳米）一系列不同球直径的 SACs，随后利用开尔文探针力显微镜方法和拉曼光谱法对数值模拟结果进行验证。

他们发现，更高的纳米曲率（更小的球体直径）会产生更强的电场。通过实验测试这些催化剂后，即使催化剂的活性位点完全相同，纳米曲率也可以用来控制它们的活性。

图丨电催化剂电场的表征（来源：Nature Communications）

该研究是林彦玮课题组自 2021 年成立以来的最早期研究课题之一。现在，他们正在开发用于二氧化碳转化、储氢气和电化学有机分子转化的电化学系统，这些对于建设可持续发展和绿色的未来非常重要。

在另一项研究中，该团队也应用了单原子镍催化剂，来选择性地转化二氧化碳在串联催化剂复合体系中合成一氧化碳，该复合体系由这些催化剂与铜膜交替形成。

他们发现该系统对转化稀释后的一氧化碳特别有效。重要的是，研究人员还发现该系统对烟气中存在的氧杂质具有耐受性，从而显著降低系统性能 [2]。

该团队期望未来可通过改变配位基团的数量，显著提高电催化剂的活性。林彦玮表示：“我们还可以考虑引入双原子甚至三重金属原子构型来进一步调控活性。重要的是，随着我们的新发现，可调控这些新的活性位点配置的纳米曲率，期望这些系统有新性能的突破。”

参考资料：

1.Wang, B., Wang, M., Fan, Z.et al. Nanocurvature-induced field effects enable control over the activity of single-atom electrocatalysts. Nature Communications 15, 1719 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46175-1

2.Wang, M., Wang, B., Zhang, J.et al. Acidic media enables oxygen-tolerant electrosynthesis of multicarbon products from simulated flue gas. Nature Communications 15, 1218 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-45527-1

排版：希幔