Método de impressão de tipo móvel para sintetizar alta

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 5071 (2022) Citar este artigo

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A ancoragem controlável de múltiplos átomos metálicos isolados em um único suporte apresenta oportunidades científicas e tecnológicas, enquanto a síntese de catalisadores com múltiplos átomos metálicos únicos permanece um desafio e raramente tem sido relatada. Aqui, apresentamos uma rota geral para ancorar até onze metais como centros de átomo único altamente dispersos em suportes de carbono dopados com nitreto poroso com o método de impressão de tipo móvel desenvolvido e rotulá-los como catalisadores de átomo único de alta entropia. Vários catalisadores de átomo único de alta entropia com multicomponentes sintonizáveis ​​são sintetizados com sucesso com o mesmo método, ajustando apenas os modelos de impressão e os parâmetros de carbonização. Para provar a utilidade, os catalisadores quinários de átomo único de alta entropia (FeCoNiCuMn) são investigados como catalisadores de reação de redução de oxigênio com atividade e durabilidade muito mais positivas do que os catalisadores Pt/C comerciais. Este trabalho amplia a família de catalisadores de átomo único e abre caminho para a investigação de catalisadores de átomo único altamente eficientes com múltiplas composições.

Catalisadores de átomo único (SACs) têm atraído enorme atenção devido às suas vantagens intrínsecas, como propriedades geométricas e eletrônicas únicas e utilização máxima de átomos1,2,3,4,5,6. Tornou-se um campo em expansão devido ao seu considerável desempenho catalítico em várias reações industriais importantes, incluindo a reação de redução de oxigênio (ORR)7,8,9, reação de evolução de oxigênio (OER)10,11,12, reação de evolução de hidrogênio (HER) 13,14,15, reforma do metano16,17,18, reação de oxidação do metanol (MOR)19,20,21 e reação de oxidação do etanol (EOR)22,23,24. Além disso, vários métodos foram explorados, como migração em alta temperatura25,26, pirólise27,28, deposição de camada atômica29,30, química úmida31,32 e deposição física33,34 para sintetizar SACs.

Nos últimos anos, foi relatado que alguns SACs típicos com metais não nobres ou muito menos nobres possuem atividade e durabilidade impressionantes, que são até comparáveis ​​com catalisadores à base de metais nobres, demonstrando grande potencial para aplicação prática. Além disso, catalisadores duplos ou binários de átomo único (BSACs) também apresentam melhor desempenho do que suas contrapartes correspondentes de SACs únicos devido aos efeitos sinérgicos existentes, nos quais o desempenho dos SACs hospedeiros pode ser ainda mais modulado pelos outros SACs únicos. -átomos metálicos. Wang et ai. relataram SACs de sítios metálicos atômicos duplos isolados Fe-N4/Pt-N4, e Pt-N4 atuou como modulador para ajustar a estrutura eletrônica do sítio ativo Fe-N4, promovendo eficientemente a atividade ORR de sítios de átomo único de Fe-N49 . Fan et ai. BSACs Co2-N6 e Fe-N4 sintetizados atomicamente dispersos, e a existência de Co2-N6 ajusta eficientemente a estrutura eletrônica de Fe-N4, induzindo um maior grau de preenchimento de orbitais Fe-d e otimizando a capacidade de ligação com intermediários *OH35. Além disso, os BSACs também desempenham um papel importante em catalisadores bifuncionais (como ORR e OER) devido aos múltiplos centros ativos dos BSACs. Por exemplo, Ma et al. preparados Ni-N4/GHSs/Fe-N4 BSACs, onde Ni-N4 e Fe-N4 estão localizados nas partes interna e externa de suportes ocos de carbono, respectivamente, realizando boa atividade em relação ao ORR e OER36. Combinado com os resultados de cálculos experimentais e teóricos, Fe-N4 e Ni-N4 são confirmados como os sítios ativos da ORR e OER, respectivamente. Hu et ai. relataram BSACs Co-N4 e Fe-N4 contíguos ancorados em carbono dopado com N (FeCo-BSACs/NC), com boa atividade tanto no ORR quanto no OER37. Cálculos teóricos revelam que Fe-N4 e Co-N4 atuam como centros ativos de ORR e OER, respectivamente, e os efeitos sinérgicos de Fe-N4 e Co-N4 otimizam ainda mais o centro da banda d do metal e melhoram a eletrocatalítica desempenho.