单团簇催化剂（SCCs）由于其高金属负载率和金属原子间的协同效应而表现出优异的催化性能，引起了人们的广泛关注。在此，通过第一性原理计算，研究了贵金属（Pt、Pd、Rh和Ir）三金属单团簇催化剂（UxVyWz NG）的氧还原反应（ORR）、析氧反应（OER）和析氢反应（HER）性能。
        作者设计了一系列贵金属三原子单团簇催化剂，通过第一性原理计算评估催化剂的ORR/OER/HER性能。研究结果表明，设计的20种单团簇催化剂均具有热力学稳定性，且Pt3-NG、Pd3-NG和Ir3-NG结构具有最低的ORR、OER和HER过电位，分别为0.63 V、0.77 V和-0.02 V。这些结构的过电势均低于对应贵金属单原子催化剂（SAC），表明贵金属SCCs比SAC具有更佳的电催化性能。在单团簇催化剂中Pt、Pd和Ir原子分别对催化剂的ORR、OER和HER性能产生了显著影响。电子结构分析表明，相比于Pt单原子催化剂，在Pt3-NG结构中，O-2p轨道与Pt-3d轨道表现出更强的杂交强度，从而促进了电催化反应的进行。本研究结果有助于高性能三原子催化剂的合理设计。

         通过第一性原理计算，研究了贵金属（Pt、Pd、Rh和Ir）三原子单团簇催化剂（UXVYWZ-NG）的ORR、OER和HER性能，结果表明Pt3-NG、Pd3-NG和Ir3-NG分别具有最低的ORR、OER和HER过电位，且这些结构表现出比贵金属单原子催化剂更高的催化潜能。
施骁川研究生为本文第一作者，青海大学机械工程学院李永成副教授和北京航空航天大学材料科学与工程学院水江澜教授为本工作的通讯作者。
水江澜教授课题组自2015年在北京航空航天大学材料学院成立以来，致力于氢能相关材料的研究，包括质子膜燃料电池非铂/低铂氧还原催化剂、电制氢催化剂、储氢材料等。迄今已发表SCI论文90余篇，包括Nat. Nanotech., Nat. Catal., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等著名期刊。
          文章信息Shi X, Li Y, Zhang S, et al. Precious trimetallic single-cluster catalysts for oxygen and hydrogen electrocatalytic reactions: Theoretical considerations. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-022-5347-6.

限制质子交换膜燃料电池（PEMFCs）大规模应用的关键在于阴极Pt基氧还原（ORR）电催化剂的稀缺性，负载在碳载体上的氮（N）配位过渡金属单原子或双原子催化剂是一类潜在的替代催化剂。然而，大多数的单原子和双原子催化剂都存在稳定性差的严峻挑战。阴离子配位可以调控双原子催化剂的电子结构，从而实现电催化性能的调节。N是最常见的配位阴离子，而磷（P）配位很少用于调控配位结构。另一方面，P配位通常可以实现电催化活性的增强，但是却忽略了对稳定性的影响。Fe基双原子催化剂是用于PEMFCs最有效的组合催化剂，如Fe-Co催化剂等。大多数的研究都集中在N配位Fe-Co双原子催化剂上，为了考察P配位的影响，有必要合成出特定结构的P/N共配位的双原子位点催化剂，但是仍然存在巨大的挑战。

       鉴于此，北京航空航天大学水江澜教授等人提出了一种可控合成N/P共配位Fe-Co双原子位点催化剂的新方法，相比于单独N配位Fe-Co双原子位点或者Fe单原子位点，表现出卓越的燃料电池稳定性。该项研究提供了一种改善双原子催化剂稳定性的新策略。
       本文要点：
       1) 首先分别使用C34H28Cl2CoFeP2分子作为Fe/Co/P前驱体和ZIF-67作为N/C前驱体合成出N/P共配位Fe-Co双原子位点催化剂，该“前驱体预选择”策略可以保证Fe-Co双原子活性位点的均匀分布，电镜和光谱结果表明每一个活性位点都由FeCoN5P1组成；
       2) 进一步合成出具有FeCoN6和FeN4位点的催化剂，用于比较P配位的影响，与FeN4和FeCoN6相比，P配位降低了FeCoN5P1中Fe和Co的形成能，导致FeCoN5P1/C表现出更稳定的活性位点，从而使PEMFC性能更稳定。
        3) 然而，与单原子位点催化剂上的现象相反，由于P对ORR中间体的强烈吸附，将P添加到N配位的Fe-Co双原子中会降低其ORR活性。
Yinuo Wang, et al., Catalysis stability enhancement of Fe/Co dual-atom site via phosphorus coordination for proton exchange membrane fuel cell. Nano Res. https://doi.org/ 10.1007/s12274-021-3966-y.

2019自然科学基金面上项目-纳米管状Fe-N-C催化剂的制备及薄壁管结构提高FeN4位点利用率和燃料电池性能的相关机制研究
批准号        21975010       
项目负责人        水江澜       
依托单位        北京航空航天大学
资助金额        63.00万元       
项目类别        面上项目       
研究期限        2020 年 01 月 01 日 至2023 年 12 月 31 日