单原子催化剂(SACs)是电催化领域的一类革命性材料，具有较高的原子效率和显著的催化活性。在各类SAC中，由固定在氮掺杂碳上的金属离子组成的催化剂被广泛合成，并在各种电化学反应中表现出非凡的性能，如析氢反应(HER)、氧还原反应(ORR)、析氧反应(OER)、氮还原反应(NRR)和CO2还原反应(CO2RR)。
尽管如此，SAC在反应条件下不理想的稳定性仍然是其大规模商业应用的一个重要瓶颈。具体而言，金属原子的浸出和聚集以及碳载体在工作条件下的降解将导致催化剂活性和选择性的损失，并最终导致催化剂不可循环使用。因此，在不牺牲活性和选择性的情况下提高稳定性对于SAC的商业应用至关重要。
近日，东南大学王金兰和凌崇益等采用恒势密度泛函理论(DFT)计算研究了在CO2还原条件下N掺杂碳负载的SACs (MN4 SACs)的结构-稳定性关系。具体而言，研究人员通过对反应中间体的电位和吸附等因素的综合分析，确定了氢原子在氮中心的首次吸附是导致催化剂失活的关键因素。
在此基础上，建立了SAC的结构和稳定性之间的相关性，引入了一个创新的描述符(Nμ)来预测各种SAC中的金属浸出条件。该描述符将元素特性与反应条件相结合，从而能够在工作条件下快速、准确地评估SAC的催化活性。
预测和计算的浸出之间的平均绝对误差(MAE)仅为0.08 V，表明在预测SAC中金属原子的浸出潜力方面具有很高的准确性。一般来说，中过渡金属基SAC相对于前和后过渡金属基SAC具有更高的浸出稳定性。这可归因于中过渡金属的半填充d轨道，导致金属原子与配位N原子之间的结合强度增强。这将增加氢在配位氮原子上吸附的难度，防止金属浸出，提高催化剂的稳定性。
此外，研究人员提出了引入缺陷和表面OH配体以提高SACs的稳定性，同时保持其活性和选择性。考虑到Nμ在预测不同催化剂的不同反应的活性方面已经显示出高度的准确性，所提出的描述符预计通过重新拟合系数适用于不同的系统。
总的来说，这些发现填补了目前在实际工作条件下理解SAC稳定性的空白，有可能推动SAC在可持续能量转换系统中的广泛应用。
Structure–stability relation of single-atom catalysts under operating conditions of CO2 reduction. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c11516
