由可再生电力驱动的质子交换膜水电解(PEMWE)是生产清洁氢燃料最有希望的途径。PEMWE装置的大规模应用主要受制于开发酸性介质中析氧反应(OER)的高效催化剂。目前，贵金属氧化物IrO2被普遍认为是酸性OER最稳定的电催化剂。然而，Ir的严重稀缺和高昂的价格使PEMWE难以达到可持续的太瓦级目标。目前，人们致力于探索降低酸性OER催化剂中Ir负载量的有效策略，如构建Ir金属团簇、异质结构以及在合适的载体上沉积Ir物种等。然而，这些策略仍然需要利用相对丰富的Ir物种。因此，开发高效、耐用、低Ir的酸性OER催化剂是一个重大挑战。
近日，中国科学技术大学曾杰和周仕明等结合单原子Ir引入的尖晶石Co氧化物的理论和实验研究，在原子水平上深入理解了杂原子对OER稳定性的作用。首先，密度泛函理论(DFT)计算结果表明，Ir单原子的引入可以显著提高相邻的Co原子的迁移能，而对最远的Co原子的迁移能影响不大。基于此，研究人员进一步研究了相邻Ir原子间的位置距离效应，即Ir-Ir距离对它们之间Co原子稳定性的影响。结果显示，中间Co原子的稳定性不断增强，直到Ir-Ir距离降低到0.56 nm的极限水平，此时Co原子被两个Ir原子夹在中间。随后，研究人员通过调节尖晶石型钴氧化物中Ir单原子的密度，成功地合成了一系列具有不同Ir-Ir间距的单原子催化剂。电化学测试进一步表明，Ir单原子诱导的稳定效应与Ir-Ir距离密切相关。随着Ir-Ir距离的减小，催化剂在酸性介质中的电化学稳定性逐渐提高，同时Co物种的溶解度显著降低，与理论结果相符；当Ir-Ir距离达到约0.6 nm时，在10 mA cmgeo−2电流密度下的长期耐久性测试表明，在pH=1条件下，尖晶石钴氧化物保持稳定，连续电解60小时后，电位仅有约20 mV的微小增加。综上，该项工作不仅在原子水平上深入了解了单个原子的距离效应对钴氧化物催化剂稳定性的影响，而且为合理设计应用于PEMWE的高稳定性催化剂提供了指导。Distance effect of single atoms on stability of cobalt oxide catalysts for acidic oxygen evolution. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-46176-0
