▲通訊作者：Huolin Xin, Xijun Liu, Jun Song.
通訊單位：加州大學爾灣分校，天津理工大學，McGill大學DOI: 10.1002/ange.202010159單原子催化劑（SACs）由于其不同于體相材料的電子特性，以及接近100%的原子利用率，在眾多催化領域如HER, CO2RR 以及NRR等，展現(xiàn)出了極大的潛力。以NRR來說，就已經報道了單原子Ru，Mo，F(xiàn)e，Au，Cu，Y，Ag等作為催化劑用于氮還原。此前的研究證實，電化學過程中Pd表面有利于*NN質子化過程，促進N-N鍵斷裂，但是也由于過強的H吸附導致表面毒化，因此，通常在Pd表面摻入Cu促進H脫附，同時增強電荷轉移。然而在單原子尺度下，這種協(xié)同促進作用是否還能夠增強Pd催化活性呢？為了探究單個原子尺度下，雙金屬的電子耦合作用以及對催化活性的影響，Lili Han等研究人員通過精確調控在氮摻雜非晶碳（NC）表面得到了大量的Pd-Cu雙原子對。利用球差校正的HAADF-STEM，作者發(fā)現(xiàn)了這些單分散的原子按照一明一暗的規(guī)律耦合在一起，分別對應于較重的Pd和較輕的Cu。為了更進一步證明這種雙原子對就是Pd-Cu，作者結合DFT預測以及EXAFS擬合發(fā)現(xiàn)，不同于獨立的Cu SAs和Pd SAs，該雙金屬催化劑更傾向與按照PdN2CuN2和PdN3CuN3的方式成鍵，這更加證實了這種雙原子對的存在。利用XPS作者發(fā)現(xiàn)，和單獨的Pd SA以及Cu SA相比，Pd-Cu雙原子對兩種金屬原子的XPS峰位均發(fā)生偏移，這也印證了Pd-Cu之間d-d電子耦合。作者將這種雙原子對催化劑應用到NRR，得到了高達25%的法拉第效率和70 μg h?1的產氨速率，遠高于單一的單原子催化劑。為了更好的理解這種耦合作用，作者利用DFT計算研究了這種雙原子耦合位點的電子態(tài)密度和相應的反應活性。計算表明Cu引入到Pd單原子位點不僅能夠使單原子Pd的態(tài)密度向費米能級方向移動，而且能夠促進Pd和吸附的N2分子之間的d-2π*耦合。這一作用促進了N2的化學吸附和活化了吸附的N2分子加氫化，結果導致N2還原成NH3過程中的決速步驟能壘降低，最終增強了N2還原成NH3的選擇性。該工作首次在單原子尺度上實現(xiàn)雙金屬的電子態(tài)調控，為更進一步提升單原子催化劑性能提供了絕佳的思路。忻獲麟教授，康奈爾大學博士學位，在美國勞倫斯伯克利實驗室進行博士后研究。2013年到2018年間，他在布魯克海文實驗室建立了三維原位表征課題組。2018年夏，轉職于美國加州大學尓灣分校物理系并建立了以深度學習為基礎的人工智能電鏡研究組DeepEM Lab。忻獲麟教授是電子顯微學領域國際上的知名專家，是電鏡行業(yè)頂級年會Microscopy and Microanalysis 2020的大會主席以及2019年的大會副主席，是布魯克海文國家實驗室的功能納米材料中心和勞倫斯伯克利國家實驗室提案審查委員會成員，是微束分析學會、美國顯微學會、美國納米學會和Sigma Xi學會的會員，是Nature, Nat. Mater, Nat. Energy, Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., Science Adv., Joule, Nano Lett., AM 等眾多期刊的審稿人。
他從事人工智能電鏡和深度學習、原子級掃描透射電鏡以及能譜相關的理論和技術、高能電子隧道理論以及三維重構理論等方向的研究。除了理論和方法學的研究，他應用三維電子斷層掃描術對鋰電池、軟硬物質界面、金屬催化劑等多方面進行了深入的研究。其課題組發(fā)表文章超過200篇，其中在Science，Nature，Nat. Mater., Nat. Nanotechnol., Nat. Energy, Nat. Catalysis，Nature Commun.這幾個頂級期刊上發(fā)表文章35篇，（其中10篇作為通訊發(fā)表）。他在表征和清潔能源方面的研究受到政府和大型企業(yè)的關注，2020年獲得能源部“杰青”獎(DOE Early Career Award)，2018年一年他作為項目帶頭人(Lead PI)得到能源部和企業(yè)界超過兩百五十萬美元的資助用于其課題組在綠色儲能和熱催化材料方向的研究。他的課題組(DeepEMLab.com)歡迎致力于研究和拓展電子顯微學以及儲能、催化、納米制備、規(guī)模生產方向的學生學者加入和訪問。
