▲通讯作者：Huolin Xin, Xijun Liu, Jun Song.
通讯单位：加州大学尔湾分校，天津理工大学，McGill大学DOI: 10.1002/ange.202010159单原子催化剂（SACs）由于其不同于体相材料的电子特性，以及接近100%的原子利用率，在众多催化领域如HER, CO2RR 以及NRR等，展现出了极大的潜力。以NRR来说，就已经报道了单原子Ru，Mo，Fe，Au，Cu，Y，Ag等作为催化剂用于氮还原。此前的研究证实，电化学过程中Pd表面有利于*NN质子化过程，促进N-N键断裂，但是也由于过强的H吸附导致表面毒化，因此，通常在Pd表面掺入Cu促进H脱附，同时增强电荷转移。然而在单原子尺度下，这种协同促进作用是否还能够增强Pd催化活性呢？为了探究单个原子尺度下，双金属的电子耦合作用以及对催化活性的影响，Lili Han等研究人员通过精确调控在氮掺杂非晶碳（NC）表面得到了大量的Pd-Cu双原子对。利用球差校正的HAADF-STEM，作者发现了这些单分散的原子按照一明一暗的规律耦合在一起，分别对应于较重的Pd和较轻的Cu。为了更进一步证明这种双原子对就是Pd-Cu，作者结合DFT预测以及EXAFS拟合发现，不同于独立的Cu SAs和Pd SAs，该双金属催化剂更倾向与按照PdN2CuN2和PdN3CuN3的方式成键，这更加证实了这种双原子对的存在。利用XPS作者发现，和单独的Pd SA以及Cu SA相比，Pd-Cu双原子对两种金属原子的XPS峰位均发生偏移，这也印证了Pd-Cu之间d-d电子耦合。作者将这种双原子对催化剂应用到NRR，得到了高达25%的法拉第效率和70 μg h−1的产氨速率，远高于单一的单原子催化剂。为了更好的理解这种耦合作用，作者利用DFT计算研究了这种双原子耦合位点的电子态密度和相应的反应活性。计算表明Cu引入到Pd单原子位点不仅能够使单原子Pd的态密度向费米能级方向移动，而且能够促进Pd和吸附的N2分子之间的d-2π*耦合。这一作用促进了N2的化学吸附和活化了吸附的N2分子加氢化，结果导致N2还原成NH3过程中的决速步骤能垒降低，最终增强了N2还原成NH3的选择性。该工作首次在单原子尺度上实现双金属的电子态调控，为更进一步提升单原子催化剂性能提供了绝佳的思路。忻获麟教授，康奈尔大学博士学位，在美国劳伦斯伯克利实验室进行博士后研究。2013年到2018年间，他在布鲁克海文实验室建立了三维原位表征课题组。2018年夏，转职于美国加州大学尓湾分校物理系并建立了以深度学习为基础的人工智能电镜研究组DeepEM Lab。忻获麟教授是电子显微学领域国际上的知名专家，是电镜行业顶级年会Microscopy and Microanalysis 2020的大会主席以及2019年的大会副主席，是布鲁克海文国家实验室的功能纳米材料中心和劳伦斯伯克利国家实验室提案审查委员会成员，是微束分析学会、美国显微学会、美国纳米学会和Sigma Xi学会的会员，是Nature, Nat. Mater, Nat. Energy, Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., Science Adv., Joule, Nano Lett., AM 等众多期刊的审稿人。
他从事人工智能电镜和深度学习、原子级扫描透射电镜以及能谱相关的理论和技术、高能电子隧道理论以及三维重构理论等方向的研究。除了理论和方法学的研究，他应用三维电子断层扫描术对锂电池、软硬物质界面、金属催化剂等多方面进行了深入的研究。其课题组发表文章超过200篇，其中在Science，Nature，Nat. Mater., Nat. Nanotechnol., Nat. Energy, Nat. Catalysis，Nature Commun.这几个顶级期刊上发表文章35篇，（其中10篇作为通讯发表）。他在表征和清洁能源方面的研究受到政府和大型企业的关注，2020年获得能源部“杰青”奖(DOE Early Career Award)，2018年一年他作为项目带头人(Lead PI)得到能源部和企业界超过两百五十万美元的资助用于其课题组在绿色储能和热催化材料方向的研究。他的课题组(DeepEMLab.com)欢迎致力于研究和拓展电子显微学以及储能、催化、纳米制备、规模生产方向的学生学者加入和访问。
