Nature子刊：原子化和烧结策略立大功，合成双原子催化剂用于催化ORR/OER/HER

使用可再生能源(如太阳能)作为动力和可充电电池(如金属-空气电池)作为电力储存设备的水分解系统(WSS)被广泛认为是实现高效和可持续氢气(H₂)生产的有效手段。WSS的三个核心半反应，即氧还原反应(ORR)、析氧反应(OER)和析氢反应(HER)都涉及复杂的多步骤质子偶合电子转移反应过程，导致动力学缓慢和高过电位等问题。目前，提高这些反应效率的基准催化剂是贵金属基材料，但是它们的高成本、稀缺性、稳定性差和单一功能性限制了其大规模应用。具有相邻双原子位点的双原子催化剂(DACs)已经成为一个新的研究前沿，它可以桥接SAC和金属/合金纳米粒子催化剂，赋予DACs高金属原子负载量、更复杂和灵活的活性位点、易于调节的电子结构以及两个相邻活性位点之间的协同效应等综合优点。

得益于这些特征，DACs通过协同调节吸附/脱附行为和中间体的活化，从而实现加速的反应动力学和高效的多功能ORR/OER/HER性能。但是，由于缺乏关于DACs形成机制的基础知识，合理设计具有多功能性的高效和强大的DACs仍然是一个巨大的挑战。

近日，中国海洋大学黄明华、中国科学院青岛能源所江河清和韩国科学技术院(KAIST)Jinwoo Lee等采用原子化和烧结策略，通过N剥离和热迁移过程实现了从Co纳米颗粒(Co_NP/HCS-900)到CoN₄单原子(Co_SA-N-HCS-900)再到Co₂N₅双原子(Co₂-N-HCS-900)的可控调控。

密度泛函理论(DFT)计算和实验结果表明，Co原子可以从纳米颗粒中逐渐剥离，并被N锚定位点俘获形成CoN₄单原子，然后通过热迁移自发烧结成Co₂N₅双原子。此外，Co原子的自旋态可以通过NP→SA→DA构型状态进行调节，其中Co₂N₅双原子具有较低的自旋态，其打破了传统的ΔG_OOH*到ΔG_OH*的尺度关系，优化了O*和H*中间体的吸附/脱附。

正如预期的猜想，Co₂-N-HCS-900表现出增强的多功能ORR/OER/HER活性，赋予Zn-空气电池(ZABs)优异的循环充放电稳定性(超过800小时)，并能够连续进行超过1000小时的水分解。此外，仅使用Co₂-N-HCS-900构建的太阳能驱动的WSS确保了整个昼夜不间断的大规模H₂生产(超过48小时)。

更重要的是，这种NP-SA-DA原子化和烧结策略可以扩展到将22种s、p和d区金属或其合金转化为双原子催化剂。总的来说，这项工作对纳米颗粒、单原子和双原子催化剂的形成机理和催化活性进行了系统的研究，有助于促进高效、稳定的双原子催化剂的合理设计。

Developing a class of dual atom materials for multifunctional catalytic reactions. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-42756-8

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