“生根型”金属-载体相互作用助力酸性析氧反应

负载型金属团簇/纳米颗粒在载体上的锚定会产生新的界面，从而增强其稳定性并调控其空间分布状态，这种金属-载体间的相互作用（MSI）对催化剂的活性、选择性和稳定性起着至关重要的作用。因此，调控MSI以优化催化剂性能具有一定的可行性。目前，负载型金属催化剂的MSI根据几何构型可分为吸附型、嵌入型和封装型。大多数已报道的吸附型MSI易于合成，但金属与载体之间的相互作用通常有限，无法显著提高其催化性能；对于嵌入型MSI而言，需要金属和载体的晶格常数匹配，因此在载体和金属的选择上受限；对于封装型MSI来说，即经典的强金属-载体相互作用（SMSI），金属纳米颗粒在特定的还原条件下被氧化物载体产生的薄氧化层覆盖，虽然可以改变金属表面的电子结构，但氧化物的覆盖导致金属活性位点不能完全暴露，活性位点大大减少。因此，将金属有效地锚定在载体且表面活性位点能够充分暴露仍面临一定的挑战。

鉴于此，南方科技大学徐强团队报道了一种具有“生根型”MSI的Ir/WO₃/CC纳米片复合材料，Ir团簇不仅可以稳定地锚固在WO₃载体上且可同时暴露更多的催化活性位点，其表现出优异的酸性析氧性能。有趣的是，作为一种新型MSI，这种“生根型”现象同样可在WO₃负载的Pt、Pd和Ag等材料中观测到，具有一定的普适性。该工作可为高性能催化剂的设计提供新思路。相关研究成果近日发表在Angewandte Chemie International Edition 上。

图1. Ir/WO₃/CC的合成路线

球差电镜直接观察到Ir团簇原子级嵌入至WO₃的晶格中，即使在150 ℃的低温热处理条件下仍可以在WO₃载体中观察到部分Ir原子的嵌入，说明Ir团簇倾向于嵌入至WO₃的晶格中；同时通过理论计算表明，Ir原子的嵌入使得整个体系能量更低，相对更稳定，这与实验结果相吻合。

图2. Ir/WO₃/CC的结构表征及其Ir团簇嵌入WO₃晶格的稳定性结构计算

通过实验和理论计算表明，Ir与WO₃之间存在强的电子相互作用，电子由Ir向W转移。得益于“生根型”的MSI，在酸性析氧反应中，Ir/WO₃/CC仅需249 mV的过电位即可达到10 mA cm^-2的电流密度，且经36 h的恒流稳定性测试，过电位没有明显变化，明显优于商业IrO₂。

图3. Ir/WO₃/CC催化剂及其对比样的酸性OER性能

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Enrooted-Type Metal-Support Interaction Boosting Oxygen Evolution Reaction in Acidic Media

Wenjuan Wang, Cheng Li, Chuan Zhou, Xin Xiao, Fayan Li, Ning-Yu Huang, Lei Li, Meng Danny Gu, Qiang Xu

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202406947

徐强简介

徐强，南方科技大学讲席教授，日本工程院院士，印度国家科学院院士，欧洲科学院院士。曾先后任日本国立产业技术综合研究所（AIST）首席研究员，AIST-京都大学能源化学材料开放创新实验室主任，神户大学、京都大学教授（兼）。2014-2023年连续入选汤森路透-科睿唯安全球高被引学者，曾获汤森路透研究前沿奖、洪堡研究奖及市村地球环境学术奖等。担任《EnergyChem》主编，《Coord. Chem. Rev.》副主编，《Chem》、《Matter》、《Adv. Energy Mater.》、《Chem. Asian J.》等期刊编委。目前主要致力于金属有机框架（MOF）及衍生物等材料的可控制备及其在催化、能源及环境等领域的应用。