建大新闻网讯    近日，材料科学与工程学院云斯宁教授“新能源材料”团队在无机非金属能源材料高效和资源化利用方面取得重要进展，“单原子催化剂”相关研究成果“Theoretical guidance for targeted modulation of metal–nitrogen single atom active sites on 3D porous carbon to optimize electrocatalytic performance in energy conversion applications（理论指导定向调控3D多孔碳负载金属-氮单原子活性位点优化能量转换中的电催化性能）”发表在国际著名期刊Journal of Materials Chemisty A（2024年影响因子为10.8，SCI一区TOP期刊，我校A类期刊）。云斯宁教授为论文通讯作者，我校研究生杨天翔和张永伟为论文共同第一作者。

单原子催化剂是将金属原子以原子级形式孤立的分散到基底上，可以使金属原子利用率达到100%，在新能源器件中表现出巨大的应用潜能。因此，在三维多孔碳载体上合理构建高效且稳定的双金属氮单原子活性位点，对于推动新一代太阳能电池中的碘还原反应（Iodide Reduction Reaction, IRR）及电解水析氢反应（Hydrogen Evolution Reaction, HER），具有重要的科学意义。

研究团队提出了一种基于理论计算指导的定向掺杂策略，成功制备了具有特定功能的碳基催化剂。经理论计算证明具有高电子密度的双金属单原子活性位点能够显著提高碳基催化剂的催化活性。在IRR中，Fe/Ni活性位点通过延长碘原子之间的键长，促进了碘离子的解离；而在HER中，Mo/Ni活性位点因其较低的氢吸附能，显著加快了反应速率。基于上述理论指导，研究团队将三种双金属单原子活性位点精准构筑在氮掺杂多孔碳（Fe/Ni–NDPC、Cu/Ni–NDPC、Mo/Ni–NDPC）中。实验结果表明，Fe/Ni–NDPC单原子在IRR中表现出优异的催化性能，组装的太阳电池获得了8.14%效率；而Mo/Ni–NDPC在HER中展现出卓越的电催化活性，过电位低至117.8 mV。基于理论计算指导下定向制备的碳基催化剂Fe/Ni–NDPC和Mo/Ni–NDPC，在提升催化剂在IRR和HER反应动力学和催化性能以及稳定性方面起到了关键的作用。该工作为碳基催化剂上活性位点的调控提供了新思路。

该研究得到了国家自然科学基金、陕西省国际科技合作重点项目、陕西省重点科技创新团队等基金的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1039/d4ta05738d

文字、图片：材料科学与工程学院