近日，东南大学物理学院王金兰教授团队在单原子催化剂活性的物理起源研究中取得新进展，研究成果以“Hybridization State Transition under Working Conditions: Activity Origin of Single-Atom Catalysts”为题发表在化学类顶级期刊《美国化学会会志》(Journal of the American Chemical Society)上。
在应对能源短缺和气候变化的全球挑战中，电催化能源转换技术被寄予厚望。为了实现这一技术的广泛应用，开发高效、稳定且经济的电催化剂成为科研人员的首要任务。单原子催化剂（SACs）因其独特的催化特性与高金属原子利用率而备受关注。尽管SACs的结构相对简单，但其催化活性起源一直是科学界的一个难题，尤其是NiN4 SAC在二氧化碳还原反应（CO2RR）中展现出的优异活性，与传统理论认知相悖，这一谜团限制了电催化剂的进一步发展。
针对这一挑战，王金兰教授团队基于系统的理论计算，首次提出了一种“杂化态转变”的新模型来揭示单原子催化剂活性的物理起源。以CO2RR中的NiN4 SAC作为研究重点，团队发现dsp2杂化的Ni中心是NiN4 SAC的基态，但对 CO2RR是惰性的。在工作条件下，外加电势的增加和反应中间产物的吸附会诱导Ni中心的杂化态转变，从惰性的dsp2态转变为活性的d2sp3态。形成的d2sp3态具有优异的CO2RR催化性能，且与实验数据高度吻合，从而为提出的理论模型提供了有力支撑。此外，杂化态转变具有普遍性，甚至在某些反应中会处于动态变化。这项工作提出了单原子催化剂中心原子电子结构演化的普遍原理，为催化剂的设计和优化带来全新认知。
本文的第一作者是东南大学博士生崔煜，东南大学物理学院王金兰教授及凌崇益副教授为通讯作者。该工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金及江苏省青年基金等项目的资助。
论文链接为：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c05630