Nature子刊：探究SACs氧化态与催化析氢活性之间的关系：呈火山型曲线

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本文合成了具有可控配位环境的原子分散Os催化剂，并验证了所提出的配位调控机理，以优化HER催化剂的活性。

Nature子刊：探究SACs氧化态与催化析氢活性之间的关系：呈火山型曲线
由于金属原子的最大利用率，单原子催化剂(SACs)在各种催化领域受到越来越多的关注。此外，SAC的不同局部结构也提供了对催化过程中固有结构-性能关系的深入理解。当金属单原子锚定在载体上时，金属-载体相互作用和载体的非均质性赋予单原子可调的电子性质，如氧化态，最高占据分子轨道(HOMO)，最低未占据分子轨道(LUMO)，自旋态等，导致可控的催化性质。
在这些电子性质中，氧化态被认为是与催化活性相关的典型参数，但对于氧化态与催化活性之间的具体关系仍然存在争议，因此有必要阐明其具体作用并论证其潜在的催化机理。
Nature子刊：探究SACs氧化态与催化析氢活性之间的关系：呈火山型曲线
Nature子刊：探究SACs氧化态与催化析氢活性之间的关系：呈火山型曲线
基于此，北京化工大学程道建和中国科学技术大学曾杰等合成了具有可控配位环境的原子分散Os催化剂，并验证了所提出的配位调控机理，以优化HER催化剂的活性。具体而言，研究人员通过改变配位环境，成功地合成了具有不同氧化态(从+ 0.9到+2.9)的原子分散的Os位点，包括Os-N3S1，Os-N4，Os-S6，Os-C3和Os-C4S2。
性能测试结果表明，氧化态与析氢反应(HER)活性之间存在一条火山型曲线，具有中等氧化态(+1.3)的Os-N3S1 SAC与其他SAC相比表现出最佳的酸性HER性能，其在10 mA cm-2电流密度下的过电位仅为22 mV。
Nature子刊：探究SACs氧化态与催化析氢活性之间的关系：呈火山型曲线
进一步的机理研究表明，随着氧化态的增加(价电子数减少)，由于能级的增加和反键态占据率的降低，氢原子在Os上的吸附增强，直到反键态变空；由于在费米能级附近Os-H键态的占有率降低，氧化态的进一步增加减弱了氢的吸附。本工作揭示了氧化状态在调控催化剂活性中的重要作用，这为合理设计SAC以提高催化活性提供了重要指导。
Volcano-type Relationship between Oxidation States and Catalytic Activity of Single-atom Catalysts towards Hydrogen Evolution. Nature Communications, 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-33589-y

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