Druckverfahren mit beweglichen Lettern zum Synthetisieren hoher Qualität

Nature Communications Band 13, Artikelnummer: 5071 (2022) Diesen Artikel zitieren

9533 Zugriffe

20 Zitate

12 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Die kontrollierte Verankerung mehrerer isolierter Metallatome in einem einzigen Träger bietet wissenschaftliche und technologische Möglichkeiten, während die Synthese von Katalysatoren mit mehreren einzelnen Metallatomen eine Herausforderung bleibt und nur selten beschrieben wurde. Hier stellen wir einen allgemeinen Weg zur Verankerung von bis zu elf Metallen als hochdisperse Einzelatomzentren auf porösen, mit Nitrid dotierten Kohlenstoffträgern mit der entwickelten Druckmethode mit beweglichen Buchstaben vor und bezeichnen sie als Einzelatomkatalysatoren mit hoher Entropie. Verschiedene Einzelatomkatalysatoren mit hoher Entropie und abstimmbaren Mehrkomponentenkatalysatoren werden mit derselben Methode erfolgreich synthetisiert, indem lediglich die Druckvorlagen und Karbonisierungsparameter angepasst werden. Um den Nutzen zu beweisen, werden quinäre Einzelatomkatalysatoren mit hoher Entropie (FeCoNiCuMn) als Katalysatoren für Sauerstoffreduktionsreaktionen mit viel positiverer Aktivität und Haltbarkeit als kommerzielle Pt/C-Katalysatoren untersucht. Diese Arbeit erweitert die Familie der Einzelatomkatalysatoren und eröffnet die Möglichkeit, hocheffiziente Einzelatomkatalysatoren mit mehreren Zusammensetzungen zu untersuchen.

Einzelatomkatalysatoren (SACs) haben aufgrund ihrer intrinsischen Vorteile, wie einzigartige geometrische und elektronische Eigenschaften und maximale Atomausnutzung, enorme Aufmerksamkeit auf sich gezogen1,2,3,4,5,6. Aufgrund seiner beträchtlichen katalytischen Leistung bei verschiedenen wichtigen industriellen Reaktionen, einschließlich der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR)7,8,9, der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER)10,11,12 und der Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER), hat es sich zu einem boomenden Bereich entwickelt. 13,14,15, Methanreformierung16,17,18, Methanoloxidationsreaktion (MOR)19,20,21 und Ethanoloxidationsreaktion (EOR)22,23,24. Darüber hinaus wurden zahlreiche Methoden untersucht, wie Hochtemperaturmigration25,26, Pyrolyse27,28, Atomlagenabscheidung29,30, nasschemische Abscheidung31,32 und physikalische Abscheidung33,34, um SACs zu synthetisieren.

In den letzten Jahren wurde berichtet, dass einige typische SACs mit Nicht- oder viel niedrigeren Edelmetallen eine beeindruckende Aktivität und Haltbarkeit aufweisen, die sogar mit Katalysatoren auf Edelmetallbasis vergleichbar ist, was ein großes Potenzial für die praktische Anwendung zeigt. Darüber hinaus wurde berichtet, dass duale oder binäre Einzelatomkatalysatoren (BSACs) aufgrund der bestehenden synergistischen Effekte, bei denen die Leistung der Wirts-SACs durch die anderen Einzelkatalysatoren weiter moduliert werden kann, eine bessere Leistung als ihre entsprechenden Einzel-SACs-Gegenstücke aufweisen -Metallatome. Wang et al. berichteten über Fe-N4/Pt-N4-isolierte zweiatomige Metallzentren-SACs, und Pt-N4 fungierte als Modulator zur Abstimmung der elektronischen Struktur des aktiven Fe-N4-Zentrums und förderte effizient die ORR-Aktivität von Fe-N4-Einzelatomzentren9 . Fan et al. synthetisierten atomar dispergierte Co2-N6- und Fe-N4-BSACs, und die Existenz von Co2-N6 stimmt die elektronische Struktur von Fe-N4 effizient ab, induziert einen höheren Füllgrad von Fe-d-Orbitalen und optimiert die Bindungsfähigkeit mit *OH-Zwischenprodukten35. Darüber hinaus spielen BSACs aufgrund der vielfältigen aktiven Zentren der BSACs auch eine wichtige Rolle in bifunktionalen Katalysatoren (wie ORR und OER). Beispielsweise haben Ma et al. stellten Ni-N4/GHSs/Fe-N4-BSACs her, bei denen sich Ni-N4 und Fe-N4 auf den inneren bzw. äußeren Teilen von hohlen Kohlenstoffträgern befinden, wodurch eine gute Aktivität in Bezug auf ORR und OER erzielt wurde36. In Kombination mit den experimentellen und theoretischen Berechnungsergebnissen werden Fe-N4 und Ni-N4 als aktive Zentren der ORR bzw. OER bestätigt. Hu et al. berichteten über zusammenhängende Co-N4- und Fe-N4-BSACs, die in N-dotiertem Kohlenstoff verankert sind (FeCo-BSACs/NC), mit guter Aktivität sowohl im ORR als auch im OER37. Theoretische Berechnungen zeigen, dass Fe-N4 und Co-N4 als aktive Zentren der ORR bzw. OER fungieren und die synergetischen Effekte von Fe-N4 und Co-N4 das d-Band-Zentrum des Metalls weiter optimieren und die Elektrokatalyse verbessern Leistung.

Darüber hinaus, wie von Beller et al. dass der nächste Durchbruch bei SACs die Herstellung von bi-/multimetallischen SACs sein wird, da sie ein enormes Anwendungspotenzial in vielen Reaktionen bieten38. Es liegen jedoch nur wenige Arbeiten zur Herstellung und Anwendung von BSACs vor, während über multimetallische SACs, von denen eine attraktivere Leistung und Funktionalität erwartet werden kann, selten berichtet wurde. Dies wird hauptsächlich auf die enormen Hindernisse für die Koexistenz verschiedener Metalle in der atomaren Dispersion mit offensichtlich unterschiedlichen chemisch-physikalischen Eigenschaften zurückgeführt. Daher ist es aufgrund der unterschiedlichen Koordinationsumgebung zwischen verschiedenen Metallatomen und Verankerungsstellentypen schwierig, mehrere isolierte Metallatome in einem einzigen Träger zu stabilisieren. Daher ist die Entwicklung einer allgemeinen und hocheffizienten Methode zur Steuerung von SACs mit multimetallischen Zentren dringend wünschenswert, aber auch eine Herausforderung.

In dieser Arbeit entwickeln wir eine allgemeine Druckmethode mit beweglichen Typen, um mehrere metallische SACs mit bis zu elf unterschiedlichen Metallelementen zu synthetisieren, indem wir einzelne Metallatome von Druckvorlagen auf poröse Nitrid-dotierte Kohlenstoffträger übertragen (wir definieren die SACs mit mehr als fünf Metallelementen). in einem einzigen Katalysator als hochentropische Einzelatomkatalysatoren (HESACs)). Die einzelnen Metallatome werden unter Erhitzen punktuell von den Druckvorlagen auf die Kohlenstoffträger übertragen (siehe „Experimenteller Teil“), wodurch gleichmäßige Mischungen mehrerer Elemente entstehen. Wie erwartet weisen die hergestellten HESACs typische Merkmale gleichmäßig verteilter einzelner Metallatome auf, obwohl sie vielen anderen Metallen ausgesetzt sind, die üblicherweise eine Aggregation verursachen. Durch die Anpassung der Menge und Art der Druckvorlagen sowie der Pyrolysetemperatur produzieren wir auch HESACs aus fünf bis elf Metallen. Bemerkenswert ist beispielsweise, dass der hergestellte quinäre HESACs-Katalysator (FeCoNiCuMn) sowohl für die ORR als auch für zusammengesetzte Zink-Luft-Batterien eine gute Aktivität und Haltbarkeit aufweist. Die robuste ORR-Leistung des quinären HESACs-Katalysators (FeCoNiCuMn) ist auf die zahlreichen aktiven Zentren und die synergistischen Effekte zwischen den verschiedenen aktiven Zentren zurückzuführen.

Der Prozess des Druckverfahrens mit beweglichen Typen zur Synthese gleichmäßig dispergierter HESACs ist in Abb. 1a und der ergänzenden Abb. 1 dargestellt. Kurz gesagt, die Metallvorläufer und Melamin werden gleichmäßig gemischt und an der Luft getempert, um die Druckvorlagen herzustellen (bezeichnet als). Mg-C3N4, ergänzende Abbildung 2-3). Anschließend wurde das Dopaminhydrochlorid zunächst auf die vorbereiteten Druckvorlagen aufgetragen und anschließend bei hoher Pyrolysetemperatur die Metallatome angeregt und aus Mg-C3N4 abgespalten, die gleichzeitig durch die Defekte und Stickstoffspezies der Kohlenstoffträger eingefangen und stabilisiert wurden. was zu HESACs führte.

a Illustration der Druckmethode mit beweglichen Lettern zur Herstellung von HESACs. b, c HAADF-STEM- und (d) AC HAADF-STEM-Bilder der quinären HESACs (FeCoNiCuMn), (e) STEM-EDS-Bilder der vorbereiteten HESACs (von quinären bis undezimalen HESACs, Maßstabsleiste ist 200 nm).

Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie-Bilder (HRTEM) und ringförmige Hochwinkel-Dunkelfeld-Raster-TEM-Bilder (HAADF-STEM) zeigen, dass die Kohlenstoffstruktur der hergestellten HESACs stark ungeordnet ist und keine Metallcluster und/oder Nanopartikel darauf beobachtet werden können Kohlenstoffträger (Abb. 1b, c und ergänzende Abb. 4). Darüber hinaus zeigen XRD-Muster der vorbereiteten HESACs nur Kohlenstoffpeaks ohne Metallsignale (ergänzende Abbildung 5). Die atomare Dispersion von Metallatomen wird außerdem mithilfe des aberrationskorrigierten HAADF-STEM (AC HAADF-STEM) beobachtet. Die hellen Flecken entsprechen den atomar verteilten Metallstellen, die homogen auf den Kohlenstoffträgern verteilt sind (Abb. 1d und ergänzende Abb. 6). Darüber hinaus zeigen die Kartierungsbilder der energiedispersiven Spektroskopie (EDS), dass Stickstoff und Metalle über die gesamten Kohlenstoffträger hinweg einheitlich sind (Abb. 1e). Die Ergebnisse liefern klare Beweise dafür, dass die vorgeschlagene Synthesestrategie eine erfolgreiche Synthese von quinären zu undezimalen HESACs ermöglicht. Beispielsweise wird die Metallbeladung quinärer HESACs (FeCoNiCuMn) durch Messung der induktiv gekoppelten Plasmamassenspektrometrie (ICP-MS) charakterisiert, und die Gesamtmetallbeladung der quinären HESACs (FeCoNiCuMn) beträgt 1,47 Gew.-% (Ergänzungstabelle 1). .

Um die elektronische Struktur, den chemischen Zustand und die Koordinationsumgebung der vorbereiteten HESACs auf atomarer Ebene weiter zu identifizieren, werden Röntgenabsorptions-Nahkantenstruktur (XANES) und erweiterte Röntgenabsorptions-Feinstruktur (EXAFS) an HESACs durchgeführt. Zur Veranschaulichung sind die XANES- und EXAFS-Ergebnisse der quinären HESACs (FeCoNiCuMn) und Standardmaterialien in Abb. 2 dargestellt. Die K-Kantenabsorptionsenergien der fünf Metallelemente liegen alle zwischen den Standardspezies der Metallfolie und des Metalls Oxid, was darauf hinweist, dass die Metallspezies der quinären HESACs (FeCoNiCuMn) einen positiven Valenzzustand aufweisen (Abb. 2a, d, g, j, m). Anpassungsergebnisse basierend auf den Kantenenergien der fünf Metallelemente und Standardspezies (Metallfolie und Metalloxid) zeigen, dass der Oxidationszustand von Fe, Co, Ni, Cu, Mn in quinären HESACs (FeCoNiCuMn) 2,74, 1,70, 1,95 beträgt. 0,34, 1,82 (ergänzende Abbildung 7), im Einklang mit den XPS-Ergebnissen (ergänzende Abbildung 8). Abbildung 2b, e, h, k, n zeigt die Fourier-Transformationen der EXAFS-Spektren (R-Raum) der Metall- und Standardspezies. Für alle fünf Elemente wird ein dominanter Peak entsprechend der MN-Koordinationsschale beobachtet, was einen soliden Beweis liefert dass die Metallspezies der hergestellten HESACs hauptsächlich im Zustand isolierter Metallatome vorliegen. Die EXAFS-Anpassungsergebnisse und Anpassungsparameter bestätigen auch, dass die isolierten Metallatome mit N-Atomen koordiniert sind und eine typische MN-Struktur bilden (Abb. 2b, e, h, k, n und Ergänzungstabelle 2). Darüber hinaus werden in den EXAFS-Daten neben der Dominanz der MN-Spezies auch einige metallische Zustandssignale beobachtet, die möglicherweise auf kleine Metallcluster zurückzuführen sind, die durch die große Anzahl an Metallen verursacht werden. Darüber hinaus wird die atomare Konfiguration der quinären HESACs (FeCoNiCuMn) durch die Metall-K-Kanten-Wavelet-Transformation (WT)-EXAFS (z. B. Fe, Co, Ni, Cu, Mn) weiter untersucht und mit WT-Signalen der verglichen Metallfolie konnte kein Metall-Metall-Koordinationssignal in quinären HESACs (FeCoNiCuMn) beobachtet werden, jedoch wurde in allen fünf Elementen der hergestellten quinären HESACs (FeCoNiCuMn) ein helles und klares MN-Signal beobachtet, was das isolierte Merkmal der Metallspezies in weiter identifiziert quinäre HESACs (FeCoNiCuMn) (Abb. 2c, f, i, l, o).

a, d, g, j, m XANES-Spektren (b, e, h, k, n) der Fe-K-Kante, Co-K-Kante, Ni-K-Kante, Cu-K-Kante und Mn-K-Kante, ( c, f, i, l, o) WT für die EXAFS-Signale der quinären HESACs (FeCoNiCuMn) und der Referenzproben.

Das Druckverfahren mit beweglichen Lettern ermöglicht vielfältige Zusammensetzungen einheitlicher HESACs, die ein großes Potenzial für ein breites Anwendungsspektrum bieten. Als Machbarkeitsnachweis demonstrieren wir quinäre HESACs (FeCoNiCuMn) als fortschrittliche Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR), die den Schlüsselschritt in vielen Energieumwandlungs- und -speichergeräten (wie Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien) darstellt. Basierend auf der Brunauer-Emmett-Teller (BET)-Analyse besitzt HESAC (die hergestellten quinären HESACs (FeCoNiCuMn) werden im Abschnitt über elektrokatalytische Messungen vereinfacht als „HESAC“ bezeichnet) eine hohe spezifische Fläche und ein hohes Porenvolumen von 339,3 m2 g−1 und 1,8 cm3 g−1 (ergänzende Abbildung 9). Die hohe spezifische Oberfläche und die reiche Porenstruktur des HESAC-Katalysators fördern den Massentransfer und legen mehr aktive Stellen frei39,40,41,42. Darüber hinaus beträgt der ID:IG-Wert des hergestellten HESAC bis zu 1,076, und ein hoher Wert weist normalerweise auf mehr Defekte auf Kohlenstoffmaterialien hin, die auch mehr verankerte Stellen für Einzelmetallatome und aktive Stellen für den Reaktionsprozess bieten (Ergänzung). Abb. 10, Raman-Ergebnis). Die ORR-Leistung des vorbereiteten HESAC-Katalysators wurde in O2-gesättigter 0,1 M KOH-Lösung gemessen, Pt/C und Nitrid-dotierte Kohlenstoffträger (auch NC genannt) werden ebenfalls als Benchmarks getestet. Die ORR-Aktivität von HESAC ist hinsichtlich des Onset-Potentials (Eonset), des Halbwellenpotentials (E1/2) und der kinetischen Stromdichte (jk@0,9 V vs. RHE) positiver als die von Pt/C (Abb. 3a, b und Ergänzungstabelle 3). Eonset, E1/2 und jk des HESAC betragen 0,999 V, 0,887 V und 3,114 mA cm−2, was 17 mV, 21 mV bzw. 1,151 mA cm−2 höher ist als die von Pt/C. Um den Einfluss der Kohlenstoffträger auf die ORR-Leistung des HESAC-Katalysators auszuschließen, wird ein NC-Katalysator nach dem gleichen Verfahren wie beim HESAC-Katalysator ohne Metallvorläufer hergestellt. Wie erwartet ist die ORR-Leistung von reinem NC sehr schlecht (Abb. 3a, b und Ergänzungstabelle 3), was bestätigt, dass die gute ORR-Leistung des HESAC auf die Zusammenarbeit der Atommetalle zurückzuführen ist.

a LSV-Kurven, (b) Vergleich von E1/2 und jk und (c) Tafel-Steigungen von HESAC, NC und Pt/C, (d) RRDE und (e) Haltbarkeitsdaten von vorbereitetem HESAC, (f) CA Ergebnisse des HESAC und Pt/C, (g) schematisches Diagramm des zusammengebauten ZAB (das innere AC HAADF-STEM-Bild zeigt quinäre HESACs (FeCoNiCuMn)), (h) Polarisations- und Leistungskurven und (i) spezifische Kapazität des HESAC- und Pt/C-basierter ZAB (das Innenbild zeigt den HESAC-basierten ZAB in Reihe zur Stromversorgung des LED-Bildschirms).

Die Tafel-Steigung des HESAC-Katalysators (81 mV dec-1) liegt nahe an der von Pt/C (72 mV dec-1), was darauf hindeutet, dass der HESAC-Katalysator einen schnellen ORR-Kinetikprozess aufweist (Abb. 3c). Darüber hinaus wurden die Übertragungszahl und die Peroxidausbeute des hergestellten HESAC-Katalysators durch Messungen mit rotierenden Ringscheibenelektroden (RRDE) bewertet. Die elektronische Übertragungszahl liegt nahe bei 4, und für den HESAC-Katalysator wird eine niedrige Peroxidausbeute über den Potentialbereich von 0,20–0,95 V erhalten, was einen dominanten Vier-Elektronen-ORR-Prozess des HESAC-Katalysators während des ORR-Prozesses zeigt (Abb. 3d). ). Noch wichtiger ist, dass es nach dem beschleunigten Haltbarkeitstest (ADT) fast keinen Aktivitätsabfall des HESAC-Katalysators in Bezug auf E1/2 und jk gibt (Abb. 3e). Darüber hinaus beträgt der Stromabfall des HESAC-Katalysators nach Chronoamperometrietests über mehr als 25.000 s nur 6,67 % (Abb. 3f). Im Gegensatz dazu zeigt Pt/C unter den gleichen Haltbarkeits- und Stabilitätstestbedingungen wie der HESAC-Katalysator einen gravierenden Leistungsabfall, was auf die robuste Haltbarkeit und Stabilität des vorbereiteten HESAC-Katalysators hinweist (Abb. 3f, ergänzende Abb. 11, ergänzende Tabelle 4). Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass die ORR-Leistung des HESAC-Katalysators den meisten der beschriebenen SAC-Katalysatoren überlegen ist, was auf die Vorteile der vorgeschlagenen HESACs hinweist (Ergänzungstabelle 5).

Um die synergistischen Effekte der verschiedenen aktiven MN-Zentren des vorbereiteten HESAC deutlich zu machen, werden besser kontrollierbare Experimente entwickelt. Die SAC, binäre SAC (BSAC), ternäre SAC (TSAC) und quaternäre SAC (QSAC) werden mit der ähnlichen Methode der vorbereiteten HESACs synthetisiert. Zum Vergleich bereiten wir auch andere Typen binärer SAC (BSAC), ternärer SAC (TSAC) und quaternärer SAC (QSAC) durch kontrollierbare physikalische Mischung der entsprechenden SAC vor, die als BSAC-P, TSAC-P, QSAC-P bezeichnet werden , jeweils. Die ORR-Leistung der oben genannten Katalysatoren ist in der ergänzenden Abbildung 12 und der ergänzenden Tabelle 6 dargestellt. Für einen fairen Vergleich werden die aktiven Zentren der Katalysatoren im selben Metallsystem kontrolliert. Beispielsweise ist die ORR-Leistung von FeCoNi-TSAC/NC nur mit der von FeCo-BSAC/NC, CoNi-BSAC/NC, FeNi-BSAC/NC, Fe-SAC/NC, Co-SAC/NC und Ni-SAC vergleichbar /NC-Katalysatoren, ohne weitere aktive Zentren. Die ORR-Leistung der vorbereiteten Katalysatoren folgt der Reihenfolge HESAC > QSAC > TSAC > BSAC > SAC, was darauf hinweist, dass die HESACs die beste ORR-Aktivität aufweisen. Darüber hinaus haben wir auch herausgefunden, dass die ORR-Leistung von BSAC, TSAC und QSAC viel höher ist als die von BSAC-P, TSAC-P bzw. QSAC-P, wenn die Metallbeladung der Katalysatortinte kontrolliert wird ähnliches Niveau. Dies weist darauf hin, dass es neben den isolierten aktiven Metallzentren noch andere aktive Mitwirkende der hergestellten BSAC, TSAC, QSAC und HESAC gibt, die auf die synergistischen Effekte der verschiedenen aktiven Zentren in den oben genannten Katalysatoren zurückzuführen sind. Dies ist ein weiterer Beweis für den Fortschritt der vorgeschlagenen HESACs.

Um die mögliche Anwendung der vorbereiteten HESAC-Katalysatoren zu validieren, wurde HESAC als Luft-Kathoden-Katalysator für die zusammengebauten ZABs eingesetzt (Abb. 3g). Wie in Abb. 3h gezeigt, zeigt der zusammengebaute ZAB auf HESAC-Basis eine beeindruckende ZAB-Leistung mit einer Spitzenleistungsdichte von bis zu 195 mW cm-2, was etwa 1,4-fach höher ist als die von ZAB auf Pt/C-Basis (138). mW cm−2). Die spezifische Kapazität des HESAC-basierten ZAB erreichte 810 mAh g−1, was 121 mAh g−1 mehr ist als die des Pt/C-basierten ZAB (689 mAh g−1) (Abb. 3i). Darüber hinaus kann der HESAC-basierte ZAB über 81 Stunden stabil arbeiten, ohne dass die Entladespannung offensichtlich abnimmt, was auch zeigt, dass der HESAC-basierte ZAB eine beeindruckende Entladestabilität besitzt (ergänzende Abbildung 13). Darüber hinaus können drei zusammengebaute HESAC-basierte ZABs, die in Reihe geschaltet sind, einen Leuchtdiodenbildschirm (LED) mit Strom versorgen (Abb. 3i). Alle Ergebnisse bestätigen, dass der hergestellte HESAC sowohl eine gute ORR-Leistung auf der Ebene der rotierenden Scheibenelektrode (RDE) als auch auf ZAB-Ebene aufweist, was ein hohes Potenzial für praktische Anwendungen der vorgeschlagenen HESAC-Katalysatoren aufzeigt.

Darüber hinaus weisen die vorgeschlagenen HESACs in der Regel mehr Arten von Einzelmetallzentren auf, weisen eine große Vielfalt an aktiven Zentren auf und bieten darüber hinaus multifunktionale Aktivität. Neben der ORR-Leistung werden die hergestellten quinären HESACs (FeCoNiCuMn) auch zur Katalyse der Methanoxidation und der elektrochemischen CO2-Reduktion (ECR) verwendet. Die hergestellten quinären HESACs (FeCoNiCuMn) zeigen die beste Aktivität bei der Methanoxidation mit der höchsten CH3OH-Produktion (34,78 mmol g−1 h−1) als die hergestellten anderen SAC-Katalysatoren (ergänzende Abbildung 14). Darüber hinaus wurde die ECR der hergestellten quinären HESACs (FeCoNiCuMn) an der H-Zelle getestet, die Produktionen wurden als H2 und CO identifiziert und der FECO ist stabil bei etwa 50 % (ergänzende Abbildung 15). Wie wir alle wissen, sind CH3OH, CO und H2 die in der Industrie am häufigsten verwendeten synthetischen Rohstoffe, und der vorbereitete quinäre HESACs-Katalysator (FeCoNiCuMn) kann die Reaktion leicht antreiben, um hochwertige Chemikalien herzustellen. Alle Daten bestätigen, dass die hergestellten quinären HESACs (FeCoNiCuMn) ein potenziell effizienter Katalysator sowohl für die Methanoxidation als auch für die ECR sind, was auch einen soliden Beweis für das Vorhandensein mehrerer Arten aktiver Zentren in den vorgeschlagenen HESACs liefert. Allerdings ist die Aktivität der hergestellten quinären HESACs (FeCoNiCuMn) für die Methanoxidation und ECR nicht so gut wie kürzlich berichtete Katalysatoren, was möglicherweise an der geringen Metallbeladung der hergestellten quinären HESACs (FeCoNiCuMn) liegt, und unsere nächste Arbeit wird dies tun Der Schwerpunkt liegt auf der Verbesserung der Metallbeladung der HESACs und der Entwicklung hocheffizienter multifunktionaler Katalysatoren.

In dieser Arbeit haben wir das Konzept der HESACs vorgeschlagen, bei denen fünf oder mehr einzelne Metallatome gleichmäßig und stabil auf einem einzigen Träger vorhanden sein können. Proben von quinären bis undezimalen HESACs wurden mit der entwickelten Druckmethode mit beweglichen Lettern erfolgreich synthetisiert. Beispielsweise zeigt der hergestellte quinäre HESACs-Katalysator (FeCoNiCuMn) eine positivere ORR-Katalysatorleistung als der Pt/C-Katalysator und funktioniert in tatsächlichen Zink-Luft-Batterieanwendungen gut. Der Vorschlag von HESACs bereichert nicht nur die Arten von SAC-Familien, sondern eröffnet auch Ideen für die Entwicklung und effiziente Anwendung von SACs. Darüber hinaus bietet das vorgeschlagene Druckverfahren mit beweglichen Lettern eine gute Plattform für die Untersuchung von HESACs. Verschiedene Metallelemente mit unterschiedlichen intrinsischen Eigenschaften können in Harmonie zusammenleben und in Form einzelner Atome auf einem einzigen Träger existieren, mit den folgenden Merkmalen: (1) Nichtgleichgewichtsprozess, bei dem die verteilten einzelnen Metallatome direkt Punkt-zu-Punkt übertragen werden die Träger werden durch ein Druckverfahren mit beweglichen Lettern gestützt, wodurch die Agglomeration der Metalle verhindert wird; (2) kontrollierbare Synthese, bei der quinäre bis undezimale HESACs mit der vorgeschlagenen Methode einfach und leicht synthetisiert werden können. Das vorgeschlagene Druckverfahren mit beweglichen Lettern bietet einen allgemeinen und effizienten Weg für das rationale Design von HESACs, der Möglichkeiten für die praktische Anwendung von SACs in verschiedenen energiebezogenen Reaktionen bietet.

Melamin, FeCl3·6H2O, CrCl3·6H2O, MnCl2·4H2O, NiCl2·6H2O, CoCl2·6H2O, CuCl2·2H2O, H2PtCl6·6H2O, PdCl2, RuCl3, IrCl3, RhCl3·3H2O, Tris-HCl, KOH, Dopaminhydrochlorid, HCl , KHCO3 und Bornitrid wurden von Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd. bezogen. 20 % Pt/C wurden von Johnson Matthey (JM) Corp. bezogen. Nafion-117-Membran und Nafion-Lösung (5 Gew.-%) wurden von DuPont bezogen. Alle Chemikalien wurden ohne weitere Reinigung verwendet. Alle wässrigen Lösungen wurden mit entionisiertem (DI) Wasser mit einem spezifischen Widerstand von 18,2 MΩ hergestellt.

9 g Melamin und 0,1 g FeCl3·6H2O wurden in eine Mischung aus 120 ml entionisiertem Wasser und 30 ml HCl bei 110 °C unter kräftigem Rühren gegeben; dieser Schritt wird beendet, während das Lösungsmittel verdampft ist. Danach wurde der erhaltene Feststoff 2 Stunden lang bei 550 °C in einer Luftatmosphäre getempert. Die endgültige Probe wurde als Fe-g-C3N4 bezeichnet.

Die Cr-g-C3N4, Co-g-C3N4, Ni-g-C3N4, Cu-g-C3N4, Mn-g-C3N4, Pt-g-C3N4, Pd-g-C3N4 Ru-g-C3N4, Rh- g-C3N4 und Ir-g-C3N4 wurden mit der ähnlichen Methode wie Fe-g-C3N4 hergestellt, mit Ausnahme der Masse des Metallvorläufers Cr-g-C3N4, Co-g-C3N4 und Ni-g-C3N4 , Cu-g-C3N4, Mn-g-C3N4, Pt-g-C3N4, Pd-g-C3N4 Ru-g-C3N4, Rh-g-C3N4 und Ir-g-C3N4 wurde in CrCl3·6H2O (0,1) geändert g), CoCl2·6H2O (0,1 g), NiCl2·6H2O (0,1 g), CuCl2·2H2O (0,1 g), MnCl2·4H2O (0,1 g), H2PtCl6·6H2O (0,015 g), PdCl2 (0,02 g), RuCl3 (0,02 g), RhCl3·3H2O (0,02 g) bzw. IrCl3 (0,02 g).

Die quinären HESACs (FeCoNiCuMn) wurden unter Verwendung der gewünschten Druckvorlagen (0,15 g Fe-g-C3N4, 0,15 g Co-g-C3N4, 0,1 g Ni-g-C3N4, 0,1 g Cu-g-C3N4, 0,1 g Mn-g-C3N4) und 0,7 g Dopaminhydrochlorid gelöst in Tris-HCl. Druckvorlagen wurden mit Ultraschall in 50 ml Tris-HCl dispergiert. Nach 60 Minuten wurden der Mischlösung unter kräftigem Rühren 0,7 g Dopaminhydrochlorid zugesetzt. Nach 24 Stunden wurden die Reaktionsprodukte durch Filtration gewonnen und 24 Stunden lang in einem Vakuumofen getrocknet. Anschließend wurden die erhaltenen festen Produkte 2 Stunden lang bei 900 °C getempert, um das Endprodukt herzustellen.

Die Synthese anderer HESACs ist die gleiche wie bei den quinären HESACs (FeCoNiCuMn), außer dass die erforderliche Menge an zugehörigen Druckvorlagen und die Pyrolysetemperatur entsprechend angepasst werden.

Fe-g-C3N4 (0,15 g) wurde mit Ultraschall in 50 ml Tris-HCl-Lösung dispergiert. Nach 60 Minuten wurden der Mischlösung unter kräftigem Rühren 0,7 g Dopaminhydrochlorid zugesetzt. Nach 24 Stunden wurden die Reaktionsprodukte durch Filtration gewonnen und 24 Stunden lang in einem Vakuumofen getrocknet. Anschließend wurden die erhaltenen festen Produkte 2 Stunden lang bei 900 °C getempert, um das Endprodukt herzustellen, und das Endprodukt wurde als Fe-SAC/NC gekennzeichnet.

Die Herstellung von Co-SAC/NC, Ni-SAC/NC, Cu-SAC/NC und Mn-SAC/NC ist die gleiche wie die von Fe-SAC/NC, mit Ausnahme von Co-g-C3N4 (0,15 g), Ni -g-C3N4 (0,10 g), Cu-g-C3N4 (0,10 g) und Mn-g-C3N4 (0,10 g) wurden als Druckvorlagen für Co-SAC/NC, Ni-SAC/NC, Cu- verwendet. SAC/NC bzw. Mn-SAC/NC.

Fe-g-C3N4 (0,15 g) und Co-g-C3N4 (0,15 g) wurden mit Ultraschall in 50 ml Tris-HCl-Lösung dispergiert. Nach 60 Minuten wurden der Mischlösung unter kräftigem Rühren 0,7 g Dopaminhydrochlorid zugesetzt. Nach 24 Stunden wurden die Reaktionsprodukte durch Filtration gewonnen und 24 Stunden lang in einem Vakuumofen getrocknet. Anschließend wurden die erhaltenen festen Produkte 2 Stunden lang bei 900 °C getempert, um das Endprodukt herzustellen. Das Endprodukt wurde als FeCo-DSAC/NC gekennzeichnet.

Die Herstellung von FeCu-DSAC/NC und CoNi-DSAC/NC ist die gleiche wie die von FeCo-DSAC/NC, außer Fe-g-C3N4 (0,15 g) und Cu-g-C3N4 (0,10 g), Co-g- C3N4 (0,15 g) und Ni-g-C3N4 (0,10 g) wurden als Druckvorlagen für FeCu-DSAC/NC bzw. CoNi-DSAC/NC verwendet.

Fe-g-C3N4 (0,15 g), Co-g-C3N4 (0,15 g) und Mn-g-C3N4 (0,10 g) wurden mit Ultraschall in 50 ml Tris-HCl-Lösung dispergiert. Nach 60 Minuten wurden der Mischlösung unter kräftigem Rühren 0,7 g Dopaminhydrochlorid zugesetzt. Nach 24 Stunden wurden die Reaktionsprodukte durch Filtration gewonnen und 24 Stunden lang in einem Vakuumofen getrocknet. Anschließend wurden die erhaltenen festen Produkte 2 Stunden lang bei 900 °C getempert, um das Endprodukt herzustellen, und das Endprodukt wurde als FeCoMn-TSAC/NC gekennzeichnet.

Die Herstellung von FeCuMn-TSAC/NC ist die gleiche wie die von FeCoMn-TSAC/NC, mit Ausnahme von Fe-g-C3N4 (0,15 g), Cu-g-C3N4 (0,10 g) und Mn-g-C3N4 (0,10 g). wurden als Druckvorlagen für FeCuMn-TSAC/NC verwendet.

Fe-g-C3N4 (0,15 g), Co-g-C3N4 (0,15 g), Cu-g-C3N4 (0,10 g) und Mn-g-C3N4 (0,10 g) wurden mit Ultraschall in 50 ml Tris-HCl-Lösung dispergiert . Nach 60 Minuten wurden der Mischlösung unter kräftigem Rühren 0,7 g Dopaminhydrochlorid zugesetzt. Nach 24 Stunden wurden die Reaktionsprodukte durch Filtration gewonnen und 24 Stunden lang in einem Vakuumofen getrocknet. Anschließend wurden die erhaltenen festen Produkte 2 Stunden lang bei 900 °C getempert, um das Endprodukt herzustellen. Das Endprodukt wurde als FeCoCuMn-QSAC/NC gekennzeichnet.

Die Herstellung von FeCoNiCu-QSAC/NC und FeCoNiMn-QSAC/NC ist die gleiche wie die von FeCoCuMn-QSAC/NC, außer Fe-g-C3N4 (0,15 g), Co-g-C3N4 (0,15 g), Ni-g- C3N4 (0,10 g), Cu-g-C3N4 (0,10 g) und Fe-g-C3N4 (0,15 g), Co-g-C3N4 (0,15 g), Ni-g-C3N4 (0,10 g), Mn-g -C3N4 (0,10 g) wurden als Druckvorlagen für FeCoNiCu-QSAC/NC bzw. FeCoNiMn-QSAC/NC verwendet.

TEM und HRTEM wurden mit einem Thermo Scientific Talos F200X G2 getestet, der bei 200 keV betrieben wurde. AC HAADF-STEM wurde mit einem aberrationskorrigierten FEI Titan G2 60–300 Feldemissions-TEM (FEI, USA) getestet, das bei 300 keV (αmax = ~100 mrad) betrieben wurde. Die XRD wurde mit einem HAOYUAN-Pulverdiffraktometer (DX-2700BH) durchgeführt, das bei 60 kV und 50 mA unter Verwendung einer Cu-K-Strahlungsquelle betrieben wurde. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurde mit einem Thermo Scientific K-Alpha Röntgenphotoelektronenspektrometer unter Verwendung einer monochromatischen Al-K-Röntgenquelle (hν = 1486,6 eV) durchgeführt. Raman-Spektren wurden mit einem Umgebungs-Raman-Spektrometer von Horiba Scientific unter Verwendung der Anregungslinie bei 532 nm eines Diodenlasers aufgezeichnet. Die Metallbeladung wurde mittels ICP-MS (Agilent ICPMS 7700) bestimmt.

Die Röntgenabsorptions-Feinstrukturspektren (XAFS) wurden an der 1W1B-Strahllinie der Beijing Synchrotron Radiation Facility (BSRF) gesammelt. Die getesteten Proben wurden durch Pressen des Katalysators und Bornitrids hergestellt. Die Daten wurden im Fluoreszenzmodus mit einem Lytle-Detektor gesammelt und die entsprechenden Referenzproben wurden im Transmissionsmodus gesammelt.

Die erfassten XAFS-Daten wurden gemäß den Standardverfahren mit dem ATHENA-Modul der Demeter-Softwarepakete verarbeitet. Um die quantitativen Strukturparameter um Zentralatome herum zu erhalten, wurde eine Anpassung der Kurvenparameter der kleinsten Quadrate mit dem ARTEMIS-Modul der Demeter-Softwarepakete durchgeführt.

Die folgende EXAFS-Gleichung wurde verwendet:

Kurz gesagt, die ORR-Leistungstests wurden an der elektrokatalytischen Station Gamry 1010E durchgeführt. Als Arbeitselektrode, Gegenelektrode und Referenzelektrode wurden eine Glaskohlenstoffelektrode (GCE), ein Kohlenstoffstab und ein Hg/HgO verwendet. Der Elektrolyt bestand aus 0,1 M KOH. Die Katalysetinte wurde durch gleichmäßiges Verteilen von 5 mg Katalysatoren, 970 μl Ethanol und 30 μl Nafion hergestellt. Anschließend 7 μL der Katalysetinte auf das GCE tropfen, um die Testarbeitselektrode zu erhalten. Die LSV-Kurven wurden bei 1600 Umdrehungen pro Minute (U/min) mit einer Scanrate von 5 mV·s−1 in O2-gesättigtem 0,1 M KOH aufgezeichnet. Um die Haltbarkeit zu testen, wurde die Methode des beschleunigten Haltbarkeitstests (ADT) angewendet, wobei ein Potenzialwechsel von 0,6 auf 1,0 V bei 100 mV s−1 über 20.000 Zyklen erfolgte. Die Stabilitäten des Katalysators wurden durch Chronoamperometrie (CA) bei 0,6 V vs. RHE in einem O2-gesättigten Elektrolyten untersucht.

Messungen der rotierenden Ringscheibenelektrode (RRDE) der Proben wurden durchgeführt, um die Vier-Elektronen-Selektivität zu untersuchen. Die Pt-Ringelektrode wurde mit 1,1 V vs. RHE vorgespannt. Die H2O2-Ausbeute und n pro Sauerstoffmolekül wurden anhand der folgenden Gleichungen berechnet:

Dabei sind ID und IR die Scheiben- bzw. Ringströme. N ist die Ringstromsammeleffizienz (37 %).

Alle Potentiale in dieser Arbeit beziehen sich auf eine reversible Wasserstoffelektrode (RHE). Die Potenziale in LSV-Kurven in dieser Studie wurden einer iR-Kompensation unterzogen.

Das ZAB wurde wie folgt hergestellt: Eine polierte Zn-Platte, mit Katalysatoren beladenes Kohlepapier (1 mg cm-2) und eine Mischlösung aus 6 M KOH und 0,2 M Zn(Ac)2 wurden als Anode, Kathode usw. verwendet Elektrolyt bzw. Zur Aufzeichnung der Polarisationskurven wurde eine elektrochemische Workstation Gamry 1010E verwendet. Die Entladungspolarisationskurve wurde mit dem Batterietestsystem LANHE (CT2001A) durchgeführt. Die spezifische Leistungsdichte wurde durch P = j * E berechnet, wobei P die Leistungsdichte, j die Stromdichte und E die Spannung ist.

Die Direktoxidation von Methan wurde in einem 50 ml Autoklaven mit 10 ml Katalysatorlösung durchgeführt. Der Autoklav wurde versiegelt und dreimal mit argonhaltigem Gas gespült und der Druck wurde bei einem Gasgemisch von 3,0 MPa gehalten (H2: 3,3 %, O2: 6,6 %, CH4: 1,6 %, Ar: 61,7 % und He: 26,8 %). Die Mischung wurde mit 1200 U/min gerührt und mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von 1,5 °C min−1 auf 70 °C erhitzt und 0,5 Stunden lang gehalten. Am Ende der Reaktion wurde der Autoklav 2 Stunden lang auf Eiswasser gehalten, um den Verlust flüchtiger Produkte zu minimieren.

Elektrochemische Tests wurden an einer Workstation (CHI 760E) durchgeführt. Für die Elektrolyseexperimente wurde ein gasdichter H-Zellreaktor mit getrennter Nafion-117-Membran verwendet. In der Kathodenkammer (100 ml) dienten ein GCE vom L-Typ und Ag/AgCl als Arbeits- bzw. Referenzelektrode. Als Gegenelektrode diente eine Pt-Folie in der Anodenkammer (100 ml). Jede Kammer enthielt 50 ml KHCO3-Elektrolyt (0,1 M, pH = 6,8). Während des ECR-Prozesses wurde kontinuierlich Kohlendioxid ausgespült (30 ml/min). Alle Potentiale wurden gemäß der Nernst-Gleichung nach ERHE = EAg/AgCl + 0,1989 + 0,0591 × pH in RHE umgerechnet, sofern nicht anders angegeben.

Die kathodische Energieeffizienz (EE) wurde wie folgt berechnet:

wobei E0, FE und E das Standardpotential, die Faradaysche Effizienz bzw. das angewandte Potential darstellten.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind dem Manuskript und seinen Zusatzinformationen zu entnehmen. Quelldaten werden mit diesem Dokument bereitgestellt.

Qiao, B. et al. Einzelatomkatalyse der CO-Oxidation mit Pt1/FeOx. Nat. Chem. 3, 634–641 (2011).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Guo, X. et al. Direkte, nichtoxidative Umwandlung von Methan in Ethylen, Aromaten und Wasserstoff. Wissenschaft 344, 616–619 (2014).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Liu, P. et al. Photochemischer Weg zur Synthese atomar dispergierter Palladiumkatalysatoren. Wissenschaft 352, 797–801 (2016).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Deng, Y. et al. Fortschrittliche atomar dispergierte Metall-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysatoren für die kathodische Sauerstoffreduktion in PEM-Brennstoffzellen. Adv. Energie Mater. 11, 2101222 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Rao, P. et al. Einatomiger Kobaltkatalysator für eine effiziente Sauerstoffreduktionsreaktion. eScience https://doi.org/10.1016/j.esci.2022.05.004 (2022).

Rao, P. et al. Eine Plasmabombenstrategie zur Synthese hochbeladener Einzelatomkatalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion. Cell Rep. Phys. Wissenschaft. 3, 100880 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Yang, J. et al. Dynamisches Verhalten von Einzelatomkatalysatoren in der Elektrokatalyse: Identifizierung von Cu-N3 als aktives Zentrum für die Sauerstoffreduktionsreaktion. Marmelade. Chem. Soc. 143, 14530–14539 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Lin, Y. et al. Abstimmung der Ladungsverteilung von FeN4 über externen N für eine verbesserte Sauerstoffreduktionsreaktion. ACS Catal. 11, 6304–6315 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Han, A. et al. Eine benachbarte atomare Platinstelle ermöglicht die Bildung von Einzelatomeisen mit hoher Sauerstoffreduktionsreaktionsleistung. Angew. Chem. Int. Ed. 60, 19262–19271 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, Q., Duan, Z., Li, M. & Guan, J. Atomare Kobaltkatalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion. Chem. Komm. 56, 794–797 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Xu, Y., Zhang, W., Li, Y., Lu, P. & Wu, Z. Eine allgemeine Adsorptionsstrategie für Bimetallionen zur Herstellung von Nickel-Einzelatomkatalysatoren, die auf Graphen verankert sind, für eine effiziente Sauerstoffentwicklungsreaktion. J. Energy Chem. 43, 52–57 (2020).

Artikel Google Scholar

Bai, L., Hsu, CS, Alexander, DTL, Chen, H. & Hu, X. Ein Kobalt-Eisen-Doppelatomkatalysator für die Sauerstoffentwicklungsreaktion. Marmelade. Chem. Soc. 141, 14190–14199 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Yi, D. et al. Regulierung des Ladungstransfers von Gittersauerstoff in einzelatomdotiertem Titandioxid für die Wasserstoffentwicklung. Angew. Chem. Int. Ed. 59, 15855–15859 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Li, J. et al. Enthüllung der Natur des Pt-Einzelatomkatalysators während der elektrokatalytischen Wasserstoffentwicklung und Sauerstoffreduktionsreaktionen. Klein 17, e2007245 (2021).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Zeng, Z. et al. Einzelatomiges Platin, eingeschlossen durch den Zwischenschicht-Nanoraum aus Kohlenstoffnitrid für eine effiziente photokatalytische Wasserstoffentwicklung. Nano Energy 69, 104409 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Xi, W. et al. Dynamische Cokatalyse von Au-Einzelatomen und nanoporösem Au für die Methanpyrolyse. Nat. Komm. 11, 1919 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Luo, L. et al. Wasser ermöglicht die milde Oxidation von Methan zu Methanol an Gold-Einzelatomkatalysatoren. Nat. Komm. 12, 1218 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Tang, Y. et al. Einzelatom-Hochtemperaturkatalyse auf einem Rh1O5-Cluster zur Herstellung von Synthesegas aus Methan. Marmelade. Chem. Soc. 143, 16566–16579 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Marcinkowski, MD et al. Niedertemperaturoxidation von Methanol zu Formaldehyd an einem Modell-Einzelatomkatalysator: Pd-Atome auf Fe3O4(001). ACS Catal. 9, 10977–10982 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Jiang, Z. et al. Einblicke auf atomarer Ebene in die Niedertemperaturoxidation von Methanol an einem Einzelatom-Pt1-Co3O4-Katalysator. Adv. Funktion. Mater. 29, 1902041 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Chen, L. et al. Effiziente Wasserstoffproduktion aus Methanol mithilfe eines Single-Site-Pt1/CeO2-Katalysators. Marmelade. Chem. Soc. 141, 17995–17999 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Shang, Q. et al. Ein Palladium-Einzelatomkatalysator zur effizienten Aktivierung von molekularem Sauerstoff für die Oxidation von Zimtalkohol. Kinn. J. Catal. 41, 1812–1817 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Li, M. et al. Hocheffizienter Einzelatom-Kobaltkatalysator für die selektive Oxidation von Alkoholen. Appl. Katal. A: Gen. 543, 61–66 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, H. et al. PdBi-Einzelatomlegierungs-Aerogele für eine effiziente Ethanoloxidation. Adv. Funktion. Mater. 31, 2103465 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Qu, Y. et al. Direkte Umwandlung von Massenkupfer in einzelne Kupferzentren durch Emission und Einfangen von Atomen. Nat. Katal. 1, 781–786 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Jones, J. et al. Thermisch stabile Einzelatom-Platin-auf-Ceroxid-Katalysatoren durch Atomeinfang. Wissenschaft 353, 150–154 (2016).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Yin, P. et al. Einzelne Kobaltatome mit präziser N-Koordination als überlegene Katalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion. Angew. Chem. Int. Ed. 55, 10800–10805 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, Y. et al. Kontrollierte Synthese einzelner Kobaltatomkatalysatoren über eine einfache Eintopfpyrolyse für effiziente Sauerstoffreduktions- und Wasserstoffentwicklungsreaktionen. Wissenschaft. Stier. 64, 1095–1102 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Sun, S. et al. Einzelatomkatalyse mit Pt/Graphen durch Atomlagenabscheidung. Wissenschaft. Rep. 3, 1775 (2013).

Artikel PubMed Central CAS Google Scholar

Fonseca, J. & Lu, J. Einzelatomkatalysatoren, entworfen und hergestellt durch die Atomlagenabscheidungstechnik. ACS Catal. 11, 7018–7059 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Wei, H. et al. FeOx-gestützte Platin-Einzelatom- und Pseudo-Einzelatom-Katalysatoren für die chemoselektive Hydrierung funktionalisierter Nitroarene. Nat. Komm. 5, 5634 (2014).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Wang, L. et al. Herstellung, Charakterisierung und katalytische Leistung von Einzelatomkatalysatoren. Kinn. J. Catal. 38, 1528–1539 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Yan, H. et al. Präzise Bottom-up-Synthese stabiler Platindimere auf Graphen. Nat. Komm. 8, 1070 (2017).

Artikel ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Yan, H. et al. Einatomiger Pd1/Graphen-Katalysator durch Atomlagenabscheidung: bemerkenswerte Leistung bei der selektiven Hydrierung von 1,3-Butadien. Marmelade. Chem. Soc. 137, 10484–10487 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Wang, Z. et al. Atomar dispergierte Co2-N6- und Fe-N4-Kostrukturen verstärken die Sauerstoffreduktionsreaktion sowohl in alkalischen als auch in sauren Medien. Adv. Mater. 33, 2104718 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Chen, J. et al. Duale einatomige Ni-N4- und Fe-N4-Stellen bilden Janus-Hohlgraphen für die selektive Sauerstoffelektrokatalyse. Adv. Mater. 32, 2003134 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Liu, M. et al. Eine „vorbeschränkte Metallzwillings“-Strategie zur Herstellung effizienter Dual-Metallatom-Katalysatoren für die kooperative Sauerstoffelektrokatalyse. Adv. Mater. 33, 2107421 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Cui, Nat. Katal. 1, 385–397 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Tian, X. et al. Entwicklung gebündelter Nanokäfige aus Pt-Ni-Legierung für eine effiziente Sauerstoffreduktion in praktischen Brennstoffzellen. Wissenschaft 366, 850–856 (2019).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Nan, H. et al. Entwicklung der elektronischen und gespannten Schnittstelle für eine hohe Aktivität von PdMcore@Ptmonolayer-Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion. Wissenschaft. Stier. 65, 1396–1404 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Rao, P. et al. Mit S und N codotierte Kohlenstoffnanoröhren umhüllte Co-NPs als effiziente bifunktionelle Sauerstoff-Elektrokatalysatoren für Zink-Luft-Batterien. Chem. Ing. J. 422, 130135 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Tian, X., Lu, X., Xia, B. & Lou, X. Fortschrittliche Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion in Energieumwandlungstechnologien. Joule 4, 45–68 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (22109034, 22109035, 52164028, 62105083), der Postdoctoral Science Foundation der Provinz Hainan (RZ2100007123), dem Sonderfonds für Wissenschaft und Technologie der Provinz Hainan (ZDYF2021GXJS207, ZDYF2020037, ZDYF2020207) unterstützt. die Gründung des State Key Laboratory of Marine Resource Utilization in South China Sea (Hainan University, Grant No. MRUKF2021029) und der Start-up Research Foundation der Hainan University (KYQD(ZR)−20008, 20082, 20083, 20084, 21065, 21124). , 21125) und der spezifische Forschungsfonds der Innovationsplattform für Akademiker der Provinz Hainan. Die Autoren danken außerdem der Beijing Synchrotron Radiation Facility (Beamline BL1W1B) für die Bereitstellung der Strahlzeit.

Staatliches Schlüssellabor für Meeresressourcennutzung im Südchinesischen Meer, Schlüssellabor für Feinchemie der Provinz Hainan, School of Chemical Engineering and Technology, Hainan University, Haikou, 570228, China

Peng Rao, Junming Luo, Peilin Deng, Jing Li, Yijun Shen und Xinlong Tian

School of Resource Environmental and Safety Engineering, University of South China, Hengyang, 421001, China

Yijie Deng

Dalian National Laboratory for Clean Energy, State Key Laboratory of Catalysis, iChEM, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Dalian, 116023, China

Wenjun-Fan

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

XT, PR und YD konzipierten und gestalteten die Forschung. PR führte die Synthese, elektrochemische Messungen und Charakterisierungen durch. WF führte XAS-Messungen und -Analysen durch. JL, PD, JL und YS halfen bei der Analyse der Daten und der Modifizierung des Papiers. PR und XT haben das Papier gemeinsam geschrieben. Das Projekt wurde von XT betreut

Korrespondenz mit Xinlong Tian.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Communications dankt Qiong Cai und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Rao, P., Deng, Y., Fan, W. et al. Druckverfahren mit beweglichem Typ zur Synthese hochentropischer Einzelatomkatalysatoren. Nat Commun 13, 5071 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32850-8

Zitat herunterladen

Eingegangen: 14. März 2022

Angenommen: 22. August 2022

Veröffentlicht: 29. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32850-8

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein gemeinsam nutzbarer Link verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.

Blog

Druckverfahren mit beweglichen Lettern zum Synthetisieren hoher Qualität