Metodo di stampa a caratteri mobili per sintetizzare l'alto

Nature Communications volume 13, numero articolo: 5071 (2022) Citare questo articolo

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L'ancoraggio controllabile di più atomi metallici isolati in un unico supporto presenta opportunità scientifiche e tecnologiche, mentre la sintesi di catalizzatori con più atomi metallici singoli rimane una sfida ed è stata raramente segnalata. Qui, presentiamo un percorso generale per ancorare fino a undici metalli come centri a singolo atomo altamente dispersi su supporti di carbonio porosi drogati con nitruro con il metodo di stampa a caratteri mobili sviluppato e li etichettiamo come catalizzatori a singolo atomo ad alta entropia. Vari catalizzatori monoatomo ad alta entropia con multicomponente sintonizzabile vengono sintetizzati con successo con lo stesso metodo regolando solo i modelli di stampa e i parametri di carbonizzazione. Per dimostrare l'utilità, i catalizzatori quinari a singolo atomo ad alta entropia (FeCoNiCuMn) vengono studiati come catalizzatori di reazioni di riduzione dell'ossigeno con attività e durata molto più positive rispetto ai catalizzatori Pt/C commerciali. Questo lavoro amplia la famiglia dei catalizzatori a singolo atomo e apre la strada per studiare catalizzatori a singolo atomo altamente efficienti con composizioni multiple.

I catalizzatori a singolo atomo (SAC) hanno attirato enorme attenzione grazie ai loro vantaggi intrinseci, come proprietà geometriche ed elettroniche uniche e il massimo utilizzo degli atomi1,2,3,4,5,6. È diventato un campo in forte espansione grazie alle sue notevoli prestazioni catalitiche in varie importanti reazioni industriali, tra cui la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR)7,8,9, la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER)10,11,12, la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) 13,14,15, reforming del metano16,17,18, reazione di ossidazione del metanolo (MOR)19,20,21 e reazione di ossidazione dell'etanolo (EOR)22,23,24. Inoltre, sono stati esplorati numerosi metodi, come la migrazione ad alta temperatura25,26, la pirolisi27,28, la deposizione di strati atomici29,30, la chimica umida31,32 e la deposizione fisica33,34 per sintetizzare le SAC.

Negli ultimi anni, è stato segnalato che alcuni tipici SAC con metalli nobili assenti o molto inferiori possiedono un'attività e una durata impressionanti che sono persino paragonabili ai catalizzatori a base di metalli nobili, dimostrando un grande potenziale per l'applicazione pratica. Inoltre, è stato riportato che anche i catalizzatori a singolo atomo duale o binario (BSAC) mostrano prestazioni migliori rispetto alle loro controparti corrispondenti a SAC singoli a causa degli effetti sinergici esistenti, in cui le prestazioni dei SAC ospiti possono essere ulteriormente modulati dagli altri catalizzatori singoli. -atomi di metalli. Wang et al. hanno riportato SAC con siti metallici dual-atomici isolati Fe-N4/Pt-N4 e Pt-N4 ha agito come modulatore per sintonizzare la struttura elettronica del sito attivo Fe-N4, promuovendo in modo efficiente l'attività ORR dei siti a singolo atomo Fe-N49 . Fan et al. BSAC Co2-N6 e Fe-N4 sintetizzati atomicamente dispersi e l'esistenza di Co2-N6 sintonizza in modo efficiente la struttura elettronica di Fe-N4, inducendo un grado di riempimento più elevato degli orbitali Fe-d e ottimizzando la capacità di legame con gli intermedi *OH35. Inoltre, i BSAC svolgono anche un ruolo importante nei catalizzatori bifunzionali (come ORR e OER) a causa dei molteplici centri attivi dei BSAC. Ad esempio, Ma et al. BSAC Ni-N4/GHS/Fe-N4 preparati, dove Ni-N4 e Fe-N4 si trovano rispettivamente sulle parti interna ed esterna dei supporti cavi di carbonio, realizzando una buona attività verso ORR e OER36. In combinazione con i risultati dei calcoli sperimentali e teorici, Fe-N4 e Ni-N4 si confermano come i siti attivi rispettivamente di ORR e OER. Hu et al. riportato BSAC contigui Co-N4 e Fe-N4 ancorati in carbonio drogato con N (FeCo-BSAC/NC), con buona attività sia nell'ORR che nell'OER37. Calcoli teorici rivelano che Fe-N4 e Co-N4 agiscono rispettivamente come centri attivi di ORR e OER e che gli effetti sinergici di Fe-N4 e Co-N4 ottimizzano ulteriormente il centro della banda D del metallo e migliorano l'effetto elettrocatalitico prestazione.