探索单原子（SA）催化剂在混合尿素辅助水电解中的应用，为氢（H2）生成和污水处理提供了可行的替代方案，然而不利的电子稳定性、低SA含量、固有的缓慢动力学和不平衡的吸附-解吸步骤是其规模化应用的瓶颈。
2024年11月11日，安徽大学李鹏、柳守杰团队在Advanced Materials期刊发表题为“Synergetic Modulation of Electronic Properties of Cobalt Oxide via “Tb” Single Atom for Uphill Urea and Water Electrolysis”的研究论文，团队成员Sara Ajmal、Aamir Rasheed为论文第一作者，柳守杰、越南岘港大学Viet Q. Bui、李鹏为论文共同通讯作者。
该研究中，稀土铽单原子（TbSA）通过Tb-O配位被拓扑稳定在富缺陷的Co3O4（TbSA@d-Co3O4）上，用于尿素氧化反应（UOR）和析氢反应（HER）。得益于TbSA与d-Co3O4的强相互作用，TbSA@d-Co3O4在UOR和HER中分别在1.27 V和-35 mV下实现了10 mA cm-2的电流密度。值得注意的是，当TbSA@d-Co3O4作为双功能催化剂应用于双电极系统时，它只需要1.22 V就可以达到10 mA cm-2，并且在100小时内具有出色的运行稳定性。该混合电解槽可以成功地由摩擦纳米发电机、AA电池和标称电位为1.5 V的太阳能电池板供电。机理研究预测，由于中间产物的吸附-解吸反应能量平衡以及UOR有利的电荷转移特性，“TbSA”在d-Co3O4中的插层降低了电位决定步骤。该研究为探索稀土“f区”元素的催化特性，通过结构调制创造先进的电催化剂提供了一个新范例。
DOI：10.1002/adma.202412173
研究人员提出了一种亲电性RE“铽”单原子（TbSA），它稳定在富含缺陷的Co3O4（记为TbSA@d-Co3O4）载体表面，作为有效的UOR。富缺陷的Co3O4底物加速了水解离动力学，同时抑制了OER。所获得的TbSA@d-Co3O4具有优异的UOR性能，在碱性和酸性电解质中，10 mA cm-2时分别需要1.27和1.30 V（相对于可逆氢电极）的超低电位。TbSA@d-Co3O4的UOR性能超过Pt-C/RuO2，是所有报道的催化剂中最好的。TbSA@d-Co3O4催化剂表现出优异的双功能电催化性能，在碱性介质中，对于HER，需要-35 mV（相对于RHE）才能输出10 mA cm−2的电流密度。理论研究进一步证实了“Tb”在d-Co3O4中的掺入降低了UOR的能垒。构建的pH通用TbSA@d-Co3O4催化剂表现出200 h （100 mA cm−2）的长期稳定性和对UOR和HER的耐久性。以TbSA@d-Co3O4为阴极和阳极组装的双电极碱性尿素电解槽在1.22 V的电压下具有10 mA cm-2的电流密度，并且具有100小时的优异稳定性，是迄今为止记录的顶级UOR电催化剂之一。组装的电解槽可以成功地通过摩擦纳米发电机、商用电池（1.5 V）和太阳能电池板供电，突出了其对各种可再生能源的适应性。RE基SA催化剂为开发工业规模的高效混合燃料电解槽提供了一条绿色节能的新途径。
总之，该研究开发了一种通过氧配位拓扑掺杂稀土单原子“铽”（TbSA）的自支撑富缺陷d-Co3O4。得益于Tb与d-Co3O4的强配位作用，TbSA@d-Co3O4在电催化析氢反应（HER）和尿素氧化反应（UOR）中表现出优异的稳定性。此外，在UOR和HER过程中，催化剂只需要1.27 mV和-35 mV的电压就能达到100 mA cm-2的电流密度。机理研究表明，“TbSA”掺杂降低了电位决定步骤的能垒，有利于UOR的电荷转移特性，提升了解吸动力学，并提升了催化性能的增强。组装的双电极尿素辅助混合电解槽TbSA@d-Co3O4在1.22 V的电压下可输出10 mA cm-2的电流密度。组装好的UOR电解槽可以成功地由摩擦纳米发电机、商用电池（1.5 V）和太阳能电池板驱动，这表明它可用于各种可再生能源。该研究不仅为通过混合电解节能制氢提供了一个视角，而且为揭示各种能量转换应用中未被发现的稀土金属基催化剂的特性开辟了一条新途径。
■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等
■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等
■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR
■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关
