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近年来,单原子催化剂这一类具有亚纳米结构的材料引起了催化科学领域广泛的研究兴趣。作为一种特殊的负载型金属催化剂,单原子催化剂载体上的所有金属组分均以单分散的形式存在,这使得单原子催化剂具有很多新的物理化学特性,如量子尺寸效应、不饱和配位环境等,正是这些与纳米颗粒显著不同的特性,赋予了单原子催化剂优越的催化性能。同时,单原子催化剂具有极高的原子利用率,在合理利用金属资源并实现原子经济性方面具有巨大的潜力。此外,单原子催化剂理想的结构为催化反应中表界面的催化机理研究提供了一个理想的模型。本论文旨在设计具有明确金属活性位点的单原子催化剂,并通过同步辐射X射线吸收精细结构(XAFS)等多种表征技术明确其结构与性能之间的关系,从而深入认识催化机理,为指导优化和设计高效催化剂提供理论和实验基础。本论文的具体研究内容如下:1、单原子Cu/氮掺石墨烯结构与电催化氧还原性能的研究非贵金属氮掺碳基材料(M-N-C)被认为是最有希望替代铂催化剂的氧还原反应(ORR)催化剂,其易于调控的高比表面积可以显着增加暴露的活性位点数和催化剂的传质速率;另一方面,非贵金属碳基材料中的异质杂原子可以作为限域金属单原子的锚定位点,从而稳定金属单原子,并提高催化活性和稳定性。除此之外,M-C-N催化剂对CO有着更高的耐受性,这对提高催化剂寿命具有至关重要的作用。本章通过配位策略设计了一种单分散的Cu催化剂,并通过简单的一步热解过程成功合成出单原子Cu催化剂,其中原子分散的Cu原子被限制在N掺杂的石墨烯中。结合球差矫正HAADF-STEM,以及同步辐射XAFS多种表征技术,揭示了单原子Cu催化剂中Cu有两种构型:Cu-N2和Cu-N4,通过进一步的计算分析,我们得到Cu-N2和Cu-N4构型所占比例分别为65%和35%。设计的催化剂具有优异的ORR活性,其起始电位(Eoonset)和半波电位(E1/2)分别为0.869V和0.779V,Tafel斜率为74 mV decade-1,其值略低于商用Pt/C催化剂。2、单原子Pt/钴纳米片结构与电催化产氧性能的研究析氧反应(OER)在可再生能源技术中有着至关重要的作用,包括水分解以及可充电金属-空气电池等。析氧反应涉及4-电子转移过程,有着较高的反应势垒,反应动力学过程缓慢,从而极大地限制了水分解制氢反应的整体效率,这激发人们对高效稳定产氧催化剂设计和研究的迫切追求。单原子催化剂具有极高的原子利用率,活性位点完全暴露,金属-载体相互作用可有效调控活性中心内在属性,是替代传统贵金属催化剂的理想选择。本章设计和制备了单原子Pt催化剂用于OER反应。Pt原子锚定在超薄二维钴纳米片上,结合X射线光电子能谱与同步辐射XAFS表征技术,揭示了Pt1/Co NS样品中Pt原子在Co载体上处于替代位。该催化剂表现出优异的OER性能,在过电势为395mV时,电流密度达到了 400mA.cn-2,远远高于此过电势下纯Co二维纳米片和商业RuO2。该研究证明了用单原子修饰催化剂作为进一步优化和提高电催化产氧催化性能具有重要的价值和潜力。