刘军枫/王定胜JACS：一种金属离子识别策略合成双原子点催化剂

研究内容

非均相双原子位点催化剂（DACs）具有巨大的应用潜力。然而，迄今为止，DACs的合成主要依赖于在合成过程中不同原子在载体上自由碰撞，主要导致低产率。

北京化工大学刘军枫/清华大学王定胜报告了一种用于构建一系列DACs的通用金属离子识别（MIR）策略，包括但不限于Fe 1 Sn 1 、Fe 1 Co 1 、Fe 1 Ni 1 、Fe 1 Cu 1 、Fe 1 Mn 1 、Co 1 Ni 1 ，Co 1 Cu 1 ，Co 2 和Cu 2 。以氧还原反应为例，作者证明了通过这种策略合成的Fe 1 Sn 1 -DAC在2.0 bar H 2 −O 2 条件下提供了1.218 W cm −2 的创纪录峰值功率密度，与单原子位点FeN 4 相比，其稳定性得到了增强。进一步的研究表明，Fe 1 Sn 1 双邻位的协同作用产生了优异的性能，有效地优化了*OH的吸附，缓解了麻烦的芬顿样反应。相关工作以“A General Metal Ion Recognition Strategy to Mediate Dual-AtomicSite Catalysts”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

研究要点

要点1.作者提出了一种通用的金属离子识别（MIR）策略来合成DACs（M 1 M 1 ′-DAC）。该策略基于异金属双络合金属离子对（[ML x ] n+ [M′L′ y ] n− ）的热分解，通过将目标阳离子[ML x ] n+ 和阴离子[M′R′ y ] n- 顺序吸附到氮碳（NC）基底上而获得。与物理预混合的金属盐不同，顺序吸附的异金属双络合物金属离子对通过静电相互作用在两种金属之间表现出既定的化学计量比和亲密性，保证了在热解过程中产生所需双原子位点的最大可能性。

要点2.作者以合成Fe 1 Sn 1 -DAC为例，通过在NC载体上顺序吸附[Fe（bpy） 3 ] 2+ 和[SnCl 6] 2− ，获得[Fe（bpy） 3 ] 2+ [SnCl 6 ] 2− （bpy=2,2′-联吡啶）金属离子对。热解后，获得Fe 1 Sn 1 -DAC。MIR策略进一步被证明，通过选择合适的无机金属阳离子和阴离子盐，能合成各种DACs（M 1 =Fe、Co、Ni、Cu、Mn和M' 1 =Fe、Co、Ni、Cu、Sn）。由于邻近双位点产生的协同效应，这些DACs表现出增强的性能。当DACs在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中实施时，Fe 1 Sn 1 -DAC在1.0 bar H 2 −O 2 下在0.9 V iR 的活性为36.2 mA cm −2 ，在2.0 bar H 2 -O 2 下的峰值功率密度为1.218 W cm −2 中，优于仅具有Fe或Sn位点的单原子催化剂，超过了大多数报道的无铂族金属（PGM）催化剂。

要点3.通过理论模拟和拉曼光谱分析，进一步证明了优异的催化活性和稳定性源于Fe和Sn邻近原子位点的协同作用，邻近的Sn有效地减少了Fe的电子局域化。在电子离域的Fe位点上，显著促进了*OH解吸的氧还原反应速率决定步骤。同时，与Fe相比，Sn位点加速了*O向O 2 的热力学转化，从而减轻了催化过程中活性氧物种的产生和扩散。因此，相邻Fe和Sn位点之间的协同效应协同促进了Fe 1 Sn 1 -DAC的优异活性和稳定性。

研究图文

图1. Fe 1 Sn 1 -DAC催化剂的合成和表征。

图2. 各种DACs的MIR策略概述。

图3. Fe 1 Sn 1 -DAC的电催化性能。

图4. Fe 1 Sn 1 -DAC的机理研究。

文献详情

A General Metal Ion Recognition Strategy to Mediate Dual-AtomicSite Catalysts

Bingqing Wang, Xiang Yang, Chongbao Xie, Hao Liu, Chao Ma, Zedong Zhang, Zechao Zhuang, Aijuan Han, Zhongbin Zhuang, Libo Li, Dingsheng Wang,* Junfeng Liu*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.4c06173