Общепринятое мнение гласит, что металлический узел в одноатомных катализаторах (SACs) был фактором, ограничивающим дальнейшее совершенствование конструкции и, следовательно, дальнейшее повышение производительности этих SACs. Более конкретно, отсутствие нестандартного мышления, когда дело доходит до важнейшей реакции выделения водорода (HER), полуреакции, приводящей к расщеплению воды, способствовало отсутствию прогресса в этой области. Новое исследование подчеркивает важность расширения границ конструкции металлических узлов в мешочках для оптимизации HER и устранения отравляющих эффектов HO* и O*, которые могут повлиять на реакцию. Все эти усовершенствования могут привести к повышению производительности реакции, что может сделать более доступным устойчивое хранение энергии или производство водорода.

Результаты были опубликованы в международном издании Angewandte Chemie в марте 2025 года.

Одноатомные катализаторы (SACs) представляют собой каталитически активные металлические центры, которые распределены атомарно для поддержания повышенной каталитической активности, что повышает скорость протекания реакции без постоянного изменения фактических компонентов, необходимых для проведения реакции. Отравление гидроксильными радикалами (HO*) и кислородными радикалами (O*) может изменять молекулы и ухудшать эффективность реакции. С другой стороны, участки, где молекулы водорода нелегко накапливаются, могут привести к усилению действия катализатора.

"Наши результаты показывают, что отравление HO*, реальная сила адсорбции H * в активных металлических центрах и потенциальная активность HER в координирующих N-центрах являются решающими факторами, которые следует учитывать для разработки точного дескриптора", - сказал Хао Ли, автор и исследователь исследования.

Эффективно изменяя эти факторы, можно разработать более эффективные катализаторы для улучшения ее активности, в то же время не полагаясь на традиционную конструкцию участков связывания металлов по типу металл-азот-углерод, что может легко привести к вышеупомянутым отравляющим эффектам.

Исследователи обнаружили, что расчет энергии связи водорода (HBE) при реалистичном представлении накопленных молекул (адсорбция) может служить хорошим показателем ее активности. Как в теоретических, так и в реальных экспериментах, когда участок металла был отравлен, соседний атом азота может выполнять функции активного участка и проявлять каталитическую активность. Это сводит на нет эффект отравления, обеспечивая "альтернативу", в которой катализатор может действовать и продолжать реакцию.

Работа, проделанная этой командой исследователей, кладет конец длительным спорам о ее дескрипторах, или параметрах, которые теоретически помогли бы предсказать каталитические способности желаемых материалов для реакции. Кроме того, сочетание использования HBE и свободной энергии Гиббса (предсказание того, произойдет ли реакция самопроизвольно) в качестве дескрипторов для SACs дает новые рекомендации для тех, кто работает с этой конструкцией катализатора, а также помогает продвигать новые методы, позволяющие преодолеть традиционные ограничения, связанные с использованием только энергии связи водорода. как самостоятельный дескриптор.

"Разрабатывая эту усовершенствованную модель, мы стремимся в дальнейшем устранить ограничения, связанные с отравлением HO, и разработать новые одно- и двухатомные катализаторы для различных условий рН, особенно в щелочной среде", - сказал Хитоси Шику, автор и исследователь этого исследования.