Forschung enthüllt neuen Zusammenhang zwischen Metallbeladung und saurer Sauerstoffentwicklung

In einer Studie veröffentlicht In ACS-Katalysehat ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Yan Wensheng von der University of Science and Technology of China (USTC) die „vulkanartige“ Beziehung zwischen Metallbeladung und Aktivität der sauren Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) in Einzelatomkatalysatoren aufgedeckt.

Die Herstellung von atomar dispergierten Metallkatalysatoren mit erhöhten Metallbeladungen stellt eine gewaltige Hürde in der Einzelatomkatalyse dar. Darüber hinaus ist die Aufklärung des komplexen Zusammenspiels zwischen den mikroskopischen elektronischen Wechselwirkungen zwischen Metallen bei hohen Beladungen und deren Einfluss auf das makroskopische katalytische Verhalten von großer Bedeutung für die Verfeinerung und Optimierung der Metallbeladungsstrategie.

Die Forscher verwendeten eine einfache P-Ankerstrategie und synthetisierten erfolgreich eine Reihe von Ir-Einzelatomkatalysatoren (x-IrPN3@C) mit Metallbeladungen von 5 % bis 21 Gew.-%. Durch Synchrotronstrahlungsspektroskopie (XAS) stellte das Team fest, dass die Existenz der Ir-P-Koordinationsstruktur der eigentliche Grund für das Erreichen einer hohen Ir-Atombeladung war.

Diese Koordinationsstruktur stabilisierte die Ir-Atome und verhinderte ihre Aggregation bei hohen Beladungen. Katalytische Leistungstests zeigten, dass die Beziehung zwischen der Metallbeladung dieses Katalysators und der katalytischen Aktivität der sauren Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) keine einfache „positive Korrelation“, sondern vielmehr eine einzigartige „vulkanartige“ Beziehung aufwies.

Das Forschungsteam klärte den zugrunde liegenden Mechanismus der „vulkanartigen“ Beziehung mithilfe von XAS (Röntgenabsorptionsspektren), Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) und theoretischen Berechnungen. Wenn die Ir-Beladung innerhalb eines bestimmten Bereichs anstieg, nahm die Anzahl der aktiven Stellen zu, wodurch die katalytische Aktivität der OER gesteigert wurde.

Überschritt die Belastung jedoch einen bestimmten Schwellenwert, verstärkte sich die Wechselwirkung zwischen benachbarten Ir-Atomen, was zu einer Verringerung des Valenzzustands von Ir und in der Folge zu einer Verringerung der intrinsischen OER-Aktivität führte.

Der Wettbewerb zwischen der Zunahme der Anzahl aktiver Stellen und der Abnahme ihrer intrinsischen Aktivität bei hohen Dichten trug zur „vulkanartigen“ Kurve bei.

Diese Forschung bietet theoretische Anleitung für die Entwicklung effizienterer und wirtschaftlicherer Einzelatomkatalysatoren für verschiedene katalytische Reaktionen.