刘远越&王金兰最新JACS：Cu单原子催化剂的动态稳定性研究！

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研究内容

单原子催化剂的长期稳定性是影响其大规模商业应用的主要因素。如何评价单原子催化剂在工作条件下的动态稳定性仍然缺乏。

美国德克萨斯大学奥斯汀分校刘远越教授和东南大学王金兰教授课题组构建了一个固-液界面，即具有显式水层的铜单原子氮掺杂石墨烯（Cu-N4-C），采用“恒电位混合溶剂化动力学模型（CP-HS-DM）”来研究工作条件下铜单原子催化剂的动态稳定性。相关工作以“Dynamic Stability of Copper Single-Atom Catalysts under Working Conditions”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

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研究要点

要点1.计算结果表明，H的吸附是电解过程中Cu单原子（SA）从催化剂表面浸出的重要驱动力。电极电位越负，H在N位点的吸附越强。从而抑制了竞争性析氢反应，Cu-N键减弱，导致部分Cu原子束缚在催化剂表面，部分溶解在催化剂表面。

要点2.在水溶液中，两种状态的Cu原子碰撞形成瞬态稳态Cu簇结构，作为真正的催化活性位点，促进CO2还原成乙醇。随着外加电位的释放或转换为正值，羟基自由基（OH•）在Cu团簇的氧化过程中起主导作用，然后Cu通过再沉积回到初始原子分散状态，完成了Cu团簇的重建循环，成重构循环铜催化剂。

该工作提供了对Cu单原子催化剂在原子水平工作条件下的动态稳定性的基本理解，并要求在考虑实际反应条件的情况下重新评估目前报道的单原子催化剂的稳定性。

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研究图文

图1. 从N掺杂石墨烯中的双空位(DV)缺陷位点对Cu SA浸出过程的热力学和动力学评估。

图2. (a) 不同电位下第1、2、3和4次H吸附的自由能(ΔGH)。(b) 在N位点的xH吸附结构。(c) 第一个H2O水解形成H*和OH-过程中的自由能分布。青色球体代表将从第一个H2O中电解出来的H+。(d) 每个(c)过程的活化能与H吸附次数。

图3. (a) Cu SA浸出过程的自由能(ΔG)，用于在不同电位下形成具有xH (x=1, 2)吸附的Cu2+(aq)。（b）在URHE=-1.2 V处N原子吸附一个H原子下Cu SA浸出过程中的自由能分布和平均能量。（c）Cu-N4（x）键长的动态演化（x=1、2、3和4）在Cu SA浸出过程中在一个H原子吸附下。(d)吸附两个H原子，通过5 ps的恒电位AIMD模拟。一系列铜(II)席夫碱配合物中Cu-N的参考键长用黑色虚线表示。(e) 中心铜原子和氮原子之间的投影晶体轨道汉密尔顿布居(pCOHP)。相应的IpCOHP值（黑色）和Cu-N键长（红色）如图所示。IpCOHP值越负，所考虑的键越稳定。（f）在URHE=-1.2 V的24 ps的AIMD模拟期间，一个束缚Cu和三个自由Cu原子碰撞过程中键长的动态演变。

图4. (a) 从固定在基板上的Cu4簇中浸出Cu原子的自由能。(b) 在URHE=1.0 V下6 ps的AIMD模拟过程中，Cu-Cu的键长和Cu4簇处的净电子与两个OH•的动态演变。(c) 2.0 ps期间Cu再沉积的自由能分布URHE=1.0 V时的缓慢生长模拟。（d）工作条件下Cu单原子簇催化结构的动态可逆转变机制的总结说明。

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文献详情

Dynamic Stability of Copper Single-Atom Catalysts under Working Conditions

Xiaowan Bai, Xunhua Zhao, Yehui Zhang, Chongyi Ling, Yipeng Zhou, Jinlan Wang,* Yuanyue Liu*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: 10.1021/jacs.2c07178

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作者简介

刘远越，美国德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系助理教授。2008年于中国科学技术大学获得学士学位，2014年于美国莱斯大学获得博士学位，2013年至2017年先后在美国可再生能源国家实验室和加州理工学院进行博士后研究，2017年9月起就职于美国德克萨斯大学奥斯汀分校。研究领域主要包括低维/能源/电子材料的理论和计算研究。

王金兰 ，教授，博士生导师。东南大学物理学院首席教授、博士生导师、东南大学特聘教授、国家杰出青年、国务院特殊津贴获得者。2002年毕业于南京大学物理系，获博士学位。2003-2005年在美国Argonne 国家实验室化学部从事博士后研究。2005年底由东南大学引进。2006年入选教育部新世纪优秀人才支持计划，2013年获江苏省杰出青年基金、2015年获国家杰出青年基金、2016年获江苏省“333”领军人才支持计划，2018年入选国务院特殊津贴专家，2021年入选英国皇家化学会会士。主持多项国家自然科学基金与国家重点研发计划。

以第一作者/通讯作者在Nature、Science、Nature Nanotechnology、Nature Communication、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等顶级期刊发表论文，SCI论文总计200余篇，总引用已达16000余次，H-index 65，连续八年入选Elsevier中国高被引学者，受邀撰写英文综述若干篇。论文发表详情参见谷歌学术和ResearcherID主页。目前，担任Nanoscale副主编、Nanoscale Horizons科学编辑及Journal of Physical Chemistry Letters等多个期刊的编委。

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