第一作者：丁夕岚，贾传义，马沛宇

通讯作者：张志荣，曾杰，鲍骏

单位：中国科学技术大学

电化学析氧反应(OER)作为电解水的阳极反应，可以为阴极反应提供质子和电子。但是，该步骤受四步四电子过程的限制，动力学缓慢。为此，研究者们开发了一系列OER催化剂，但其性能仍然有待提高。开发具有特殊结构的OER催化剂迫在眉睫。异质单原子-团簇催化剂能够结合不同物种的性质，因此在催化领域受到了广泛关注。然而，精准构筑异质单原子-团簇体系，并从原子尺度揭示不同物种间协同的微观机理，目前仍是个挑战。

基于此，中国科学技术大学鲍骏研究员、曾杰教授和张志荣特任副研究员，在国际纳米领域顶级期刊Nano Letters上发表题为Remote Synergy between Heterogeneous Single Atoms and Clusters for Enhanced Oxygen Evolution的研究论文。

该研究精准构筑了异质单原子-团簇体系Co_nIr₁/N-C，并将其应用于高效催化OER。催化剂中的Ir单原子和Co团簇，通过氢键作用稳定OER过程中的关键中间体*OOH，从而实现了远程协同，并有效降低了反应能垒，提升OER反应动力学。电化学测试结果表明，在10 mA cm^-2电流密度下，该催化剂过电位仅为262 mV, 在300 mV 过电位下的转换频率达到1.68 s^-1。该工作为后续调控中间体构型提供了可行策略。

通过电化学沉积手段，以氮掺杂的碳(N-C)为载体，合成了单原子催化剂Ir₁/N-C，团簇催化剂Con/N-C和异质单原子-团簇催化剂Co_nIr₁/N-C。通过暗场相球差电镜表征证明，Co团簇在Con/N-C中存在，Ir单原子和Co团簇在Co_nIr₁/N-C中并存。元素分布图表明Co，Ir物种在催化剂中均匀分布。

图1. Con/N-C和Co_nIr₁/N-C的形貌表征。

要点二：同步辐射谱学表征研究催化剂电子结构和配位环境

利用X射线吸收谱(XAFS)对催化剂进行表征，结果表明，Con/N-C和Co_nIr₁/N-C中Co的价态在+2和+3价之间，而Ir₁/N-C和Co_nIr₁/N-C中Ir的价态高于+4价。扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)结果表明，在Con/N-C和Co_nIr₁/N-C中，Co与N/O配位，同时也存在着Co-Co键，这表明Co物种主要以团簇形式存在。在Ir₁/N-C和Co_nIr₁/N-C中，Ir与N/O配位，同时观测不到Ir-Ir键，这表明Ir物种以单原子形式存在。

图2. Ir₁/N-C，Con/N-C和Co_nIr₁/N-C的电子结构和配位环境表征。

要点三：催化性能评价

N-C载体，Ir₁/N-C，Con/N-C和Co_nIr₁/N-C的OER性能评估表明，Co_nIr₁/N-C具有最高的OER活性，在10 mA cm^-2下过电位为262 mV，比团簇催化剂Con/N-C降低107 mV。同时，该催化剂在300 mV过电位下具有较高的质量活性和转换频率，分别为10989 A gCo^–1和1.68 s^–1，是Con/N-C的50.9倍和51.1倍。同时，Co_nIr₁/N-C在四种样品中拥有最快的动力学速率。

图3. Ir₁/N-C，Con/N-C和Co_nIr₁/N-C的OER电催化性能评估结果。

要点四：DFT计算揭示异质物种的远程协同

为了进一步探究异质物种间的协同，通过密度泛函理论(DFT)计算探究材料性质和OER过程的中间体吸附。结果表明，相比于Con/N-C，Co_nIr₁/N-C中Co的d带中心位置有所提升，这增强了OER各步中间体的吸附。此外，在Co_nIr₁/N-C上，与Ir单原子配位的OH物种和吸附在Co位点的含氧中间体*OOH之间形成了氢键作用，更进一步增强了*OOH的吸附，稳定了*OOH，从而降低了*O到*OOH步骤的反应能垒。

图4. Con/N-C和Co_nIr₁/N-C的DFT计算结果。

Remote Synergy between Heterogeneous Single Atoms and Clusters for Enhanced Oxygen Evolution

鲍骏研究员简介：2001年在中国科学技术大学化学物理系获博士学位，2006年至2008年在日本富山大学工学部从事博士后研究。长期从事同步辐射应用、能源催化和材料基因组等领域研究，发展了一系列基于同步辐射和自由电子激光的原位催化表征及材料基因组学技术，并开放给用户使用。在能源催化领域开展了低碳分子催化转化、电催化、催化动力学超快谱学研究，已在Nat. commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Lett., ACS Catal.等期刊上发表论文120多篇，部分成果与企业合作实现技术转让。

迄今为止，已在Nature (1篇)，Nat. Nanotechnol. (3篇)，Nat. Catal. (1篇)，Nat. Energy (1篇)，Nat. Commun. (15篇)，Acc. Chem. Res. (1篇)，Acc. Mater. Res. (1篇)，Chem. Rev. (2篇)，Chem. Soc. Rev. (1篇)，Chem (1篇)，J. Am. Chem. Soc. (14篇)，Angew. Chem. Int. Ed. (23篇)，Nano Lett. (25篇)，Adv. Mater. (12篇) 等高影响力学术期刊发表了215篇论文，SCI总被引用18000余次，H因子为71，入选2019至2022年的全球高被引科学家名录。申请中美专利共75项，出版书籍4部。

荣获中国青年科技奖“特别奖”、Falling Walls 科学突破奖、英国国际发明展年度国际发明“钻石奖”、中国科技产业化促进会科学技术一等奖、中国化学会-赢创化学创新奖、侯德榜化工科学技术青年奖、中国新锐科技人物、安徽省自然科学奖一等奖、安徽青年五四奖章等奖项。研究成果入选国家“十三五”科技创新成就展、2022年中国十大科技进展新闻。部分研究成果被Nat. Mater. 杂志、EurekAlert!、C&EN News、Materials Views等国际科学媒体广泛报道，并多次被CCTV、《人民日报》、《人民日报（海外版）》、《光明日报》、《科技日报》等多家国内主流媒体关注。