单原子和团簇催化剂以其高的表面原子比和独特的电子结构在能量转换反应中得到了广泛的应用。然而，单原子或团簇催化剂的性能在许多情况下仍不理想，尤其是涉及多步多电子反应的催化过程。
最近的研究发现，通过将单个原子和团簇集成到一个体系中，可以获得较高的催化性能。对于大多数均相单原子团簇系统，它们之间的协同作用主要归因于均相活性位点的组合；而多相单原子团簇体系结合了不同物种的优点，在催化反应中显示出巨大的潜力。具体来说，多相单原子团簇体系中不同位点吸附行为的多样性使得中间构型的调节成为可能，从而提高了催化剂的性能。因此，有必要构建异构原子团簇系统并实现它们之间的有效协同。近日，中国科学技术大学鲍骏、曾杰和张志荣等通过电化学沉积的方法将Ir单原子、Co团簇和Co团簇与Ir单原子锚定在氮掺杂的碳(N-C)载体上(Ir1/N-C、Con/N-C和ConIr1/N-C)。性能实验结果表明，在碱性条件下，ConIr1/N-C催化剂在10 mA cm−2电流密度下的OER过电位为262 mV，远低于商业IrO2(335 mV)、Con/N-C(369 mV)、Ir1/N-C(430 mV)和N-C(453 mV)。上述结果表明，单个铱原子对OER没有活性，但可以与Co团簇协同作用，显著提高OER活性。实验结果和理论计算表明，Ir和Co物种之间的距离为8 Å的ConIr1/N-C中，决速步从Con/N-C中的*OOH的形成转变为*O的形成，并且反应能垒由1.81 eV降低到1.72 eV。结构研究进一步阐明了活性改善的来源：对于ConIr1/N-C，Co位点上的*OOH与Ir原子配位的OH物种之间形成距离为2.49 Å的具有O-H···O构型的氢键。氢键极大地加强了*OOH中间体与Co位的结合，从而降低了*O中生成*OOH的自由能。同时，对于Ir单原子和Co团簇之间距离较短的ConIr1/N-C-5.6 Å，其决速步能垒大于ConIr1/N-C-8 Å，表明Ir和Co位点之间适当距离的远程协同作用有效地提高了ConIr1/N-C对OER的性能。总的来说，这项工作不仅展示了一种在多相单原子和团簇之间提高催化性能的远程协同策略，这有助于实现中间体结构的优化以加速涉及更复杂产物的电催化反应。Remote Synergy between Heterogeneous Single Atoms and Clusters for Enhanced Oxygen Evolution. Nano Letters, 2023. DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00228
