近日，松山湖材料实验室通过高通量密度泛函理论计算方法，分析了铁/氮掺杂碳（Fe-NC）单原子催化体系中活性位点密度及取向对催化剂原子结构与催化性能的调控规律，揭示了活性位点密度等因素调控单原子催化剂电催化性能的深层物理机制。相关成果发表于《物理化学快报》。孟胜、刘淼为该论文通讯作者，王亚南为第一作者。
单原子催化剂因其超高的原子利用效率和出色的性能而备受瞩目。厘清单原子催化体系的构效关系是一个重要科学问题。此前，催化领域的研究热点通常聚焦在单原子催化体系的局部环境和电子结构，探索其与催化活性的关系，但是忽略了单原子位点间的相互作用。
研究团队针对单原子位点间的相互作用及其集体的构效关系开展研究。研究表明，Fe-NC单原子位点的形成将在层状基底中引入一个本征的应变，这个本征应变成为了连接单原子位点间相互作用和单原子局域结构的纽带。一方面，本征应变是单原子位点的密度和取向的函数，单原子位点间的相互作用是通过本征应变而相互感知的；另一方面，本征应变会带来单原子位点局域结构的变化，将过渡金属原子稍许推离层状基底层，形成空间上凸起的过渡金属原子位点。
该团队此前的研究成果已经表明，过渡金属原子位点的凸起显著影响到该过渡金属原子的dz2轨道分布，从而显著改变催化性能。因此，该研究通过提出本征应变这一可观测参数，阐明了相邻活性位点之间的相互作用以及d轨道的电子结构和位点局部几何形状等多种因素的协同作用。
进一步的系统分析，给出了单原子位点的密度、取向与OER催化活性的构效关系“地图”。随着活性位点间距从0.74增加至2.96纳米，活性位点引起的x和y方向晶格应变分别从2.75%的拉伸应变减少至0.01%，以及从-4.11%的压缩应变减少至-0.30%，催化反应的活性也表现出先上升后下降的行为。
该研究结果为合理解释和设计单原子催化剂提供了新的见解。
相关论文信息：https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c02530
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