고합성을 위한 이동식 인쇄방식

Nature Communications 13권, 기사 번호: 5071(2022) 이 기사 인용

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여러 개의 분리된 금속 원자를 단일 지지체에 제어 가능한 고정하는 것은 과학적, 기술적 기회를 보여주는 반면, 여러 개의 단일 금속 원자를 사용한 촉매의 합성은 여전히 ​​어려운 과제로 거의 보고되지 않았습니다. 여기에서는 개발된 이동형 인쇄 방법을 사용하여 최대 11개의 금속을 다공성 질화물 도핑 탄소 지지체에 고도로 분산된 단일 원자 중심으로 고정하고 이를 고엔트로피 단일 원자 촉매로 표시하는 일반적인 경로를 제시합니다. 조정 가능한 다성분을 갖는 다양한 고엔트로피 단일 원자 촉매는 인쇄 템플릿과 탄화 매개변수만 조정하여 동일한 방법으로 성공적으로 합성되었습니다. 유용성을 입증하기 위해 상용 Pt/C 촉매보다 훨씬 더 긍정적인 활성과 내구성을 갖는 산소 환원 반응 촉매로서 5원 고엔트로피 단일 원자 촉매(FeCoNiCuMn)가 연구되고 있습니다. 이 연구는 단일 원자 촉매 제품군을 확장하고 다양한 구성을 갖춘 매우 효율적인 단일 원자 촉매를 연구할 수 있는 방법을 열었습니다.

단일 원자 촉매(SAC)는 독특한 기하학적, 전자적 특성 및 최대 원자 활용과 같은 본질적인 장점으로 인해 엄청난 주목을 받아 왔습니다. 이는 산소 환원 반응(ORR)7,8,9, 산소 발생 반응(OER)10,11,12, 수소 발생 반응(HER)을 비롯한 다양한 중요한 산업 반응에서 상당한 촉매 성능으로 인해 급성장하는 분야가 되었습니다. 13,14,15, 메탄 개질16,17,18, 메탄올 산화 반응(MOR)19,20,21 및 에탄올 산화 반응(EOR)22,23,24. 또한 SAC를 합성하기 위해 고온 이동, 열분해, 원자층 증착, 습식 화학 및 물리적 증착과 같은 다양한 방법이 연구되었습니다.

최근 몇 년 동안 귀금속이 없거나 훨씬 낮은 일부 전형적인 SAC는 귀금속 기반 촉매와 비교할 수 있는 인상적인 활성과 내구성을 갖는 것으로 보고되어 실제 적용 가능성이 높습니다. 또한 이중 또는 이진 단일 원자 촉매(BSAC)는 호스트 SAC의 성능이 다른 단일 SAC에 의해 추가로 조절될 수 있는 기존 시너지 효과로 인해 해당 단일 SAC보다 더 나은 성능을 나타내는 것으로 보고되었습니다. -금속 원자. 왕 외. Fe-N4/Pt-N4 분리된 이중 원자 금속 부위 SAC가 보고되었으며, Pt-N4는 Fe-N4 활성 부위의 전자 구조를 조정하는 변조기 역할을 하여 Fe-N4 단일 원자 부위의 ORR 활동을 효율적으로 촉진합니다9 . 팬 외. 원자적으로 분산된 Co2-N6 및 Fe-N4 BSAC를 합성하고 Co2-N6의 존재는 Fe-N4의 전자 구조를 효율적으로 조정하여 Fe-d 궤도의 더 높은 충전도를 유도하고 *OH 중간체와의 결합 능력을 최적화합니다. 또한 BSAC는 BSAC의 다중 활성 센터로 인해 ORR 및 OER과 같은 이기능성 촉매에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, Ma et al. Ni-N4 및 Fe-N4가 중공 탄소 지지체의 내부 및 외부 부분에 각각 위치하여 ORR 및 OER36에 대한 우수한 활성을 실현하는 Ni-N4/GHSs/Fe-N4 BSAC를 준비했습니다. 실험적 및 이론적 계산 결과를 종합하면 Fe-N4와 Ni-N4가 각각 ORR과 OER의 활성 사이트로 확인됩니다. Huet al. ORR과 OER37 모두에서 우수한 활성을 보이는 N 도핑 탄소(FeCo-BSACs/NC)에 고정된 연속적인 Co-N4 및 Fe-N4 BSAC를 보고했습니다. 이론적 계산에 따르면 Fe-N4와 Co-N4는 각각 ORR과 OER의 활성 중심으로 작용하며 Fe-N4와 Co-N4의 시너지 효과는 금속의 d-밴드 중심을 더욱 최적화하고 전기촉매 성능을 향상시킵니다. 성능.