摘要：2025年3月7日，香港城市大学刘彬、苏州科技大学杨鸿斌、中国科学院大学沈铮在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society上发表了题为《Unraveling Dynamic Structural Evolutio
金属-氮-碳（M-N-C）单原子催化剂（SACs）被广泛应用于催化电化学氧化还原反应，但是它们的长期催化稳定性极大限制了其实际应用。
2025年3月7日，香港城市大学刘彬、苏州科技大学杨鸿斌、中国科学院大学沈铮在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society上发表了题为《Unraveling Dynamic Structural Evolution of Single Atom Catalyst via In Situ Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy》的研究论文，Jie Ding、Lingyue Liu、Jian Zhang为论文共同第一作者，刘彬、杨鸿斌、沈铮为论文共同通讯作者。
刘彬，教授，2002年学士毕业于新加坡国立大学，2004年硕士毕业于新加坡国立大学，2011年博士毕业于美国明尼苏达大学，2011-2012年在美国伯克利加州大学杨培东教授课题组从事博士后研究。2012年任新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程学院助理教授，并建立电催化研究实验室。2017年2月，刘彬老师晋升为副教授，获得终身教职。2023年1月，刘彬教授加盟香港城市大学材料科学与工程系。
刘彬教授主要研究领域为光（电）催化和原位/operando表征，在国际著名期刊如Nat. Energy, Nat.Catal., Nat. Water, Sci. Adv., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Joule, Chem,Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Chem. Rev., Chem.Soc. Rev., Acc. Chem. Res.等发表论文200余篇。截至2023年12月，他引次数超3.6万次，H指数为95（GoogleScholar）。
杨鸿斌，教授，2002年于云南普洱学院担任助教，2007年至2012年，于南洋理工大学任职博士后研究员，2012年至2016年于南洋理工大学任职资深博士后研究员，后于苏州科技大学担任特聘教授。
杨鸿斌教授长期从事能源环境与能源装换材料，器件研究，在催化剂设计，电化学催化反应机理研究，以第一和通讯作者在Nature Energy，Nature Catalysis，Jule，Chem， Science Advance等顶级学术期刊发表研究论文170余篇。论文总引19000余次，H指数为65。
沈铮，硕导，研究员，1999年学士毕业于中国药科大学，2002年硕士毕业于中国药科大学，2007年博士毕业于大连化学物理研究所，2021年担任中国科学院大连化学物理研究所正高级工程师。
沈铮的主要研究方向为微型分析仪器的关键部件和整机的研制开发、选择性/高倍数富集样品前处理方法和技术、复杂、痕量有机样品的分析。在Journal of Energy Chemistry、Chinese Journal Of Analytical Chemistry 、Chemical Communications等期刊上发表多篇论文。
在本文中，作者通过一系列原位表征，包括原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS）、原位X射线吸收光谱（XAS）、准原位电子顺磁共振光谱（EPR）和原位紫外可见光谱（In Situ UV-Vis）以及密度泛函理论（DFT）计算，研究了两种具有不同铜-氮配位的模型铜-氮-碳单原子催化剂（Cu1/Npyri-C 和 Cu1/Npyrr-C）在电化学CO还原反应（CORR）中的动态演变。
结果表明，在电化学CORR过程中，Cu1/Npyrr-C上铜纳米颗粒的形成速率比Cu1/Npyri-C高出6倍以上。
准原位电子顺磁共振和原位紫外可见光谱测量表明，在电化学CORR过程中可以原位产生氢自由基，这些自由基会攻击Cu-N键，导致Cu-N-C SACs中的Cu2+析出，随后被还原形成Cu纳米粒子。
动力学计算表明，由于Cu1/Npyri-C具有更强的铜-吡啶氮键，其催化稳定性优于Cu1/Npyrr-C。
该研究加深了对电化学反应中硫属化合物(SACs)失活机制的理解，并为设计具有增强耐久性的下一代SACs提供了指导。
图1：Cu1/Npyri-C和Cu1/Npyrr-C的XPS、AES光谱和原位ATR-SEIRAS光谱
图2：原位ATR-SEIRAS光谱分析Cu1/Npyri-C和Cu1/Npyrr-C在电化学CORR中的动态结构演变
图3：原位XAS光谱分析Cu1/Npyri-C和Cu1/Npyrr-C在电化学CORR中的结构演变
图4：准原位EPR和原位UV-vis光谱分析Cu1/Npyri-C和Cu1/Npyrr-C在电化学CORR中的自由基生成和Cu的溶出
图5：DFT计算分析Cu1/Npyri-C和Cu1/Npyrr-C在电化学CORR中的稳定性差异
图6：原位ATR-SEIRAS和原位XAS技术在研究单原子催化剂动态结构演变中的优势和局限性
综上，作者通过原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS）、原位X射线吸收光谱（XAS）、准原位电子顺磁共振光谱（EPR）和原位紫外-可见光谱等技术，结合理论计算，研究了两种具有不同铜-氮配位的模型Cu-N-C单原子催化剂（Cu1/Npyri-C和Cu1/Npyrr-C）在电化学CO还原反应（CORR）中的动态结构演变。
研究发现，Cu1/Npyrr-C在CORR过程中形成铜纳米颗粒的速率比Cu1/Npyri-C高出6倍以上，其原因是氢自由基攻击Cu-N键导致铜离子溶出并还原为铜纳米颗粒。Cu1/Npyri-C由于具有更强的Cu-N键而表现出更高的稳定性。
该研究不仅揭示了单原子催化剂在电化学反应中的失活机制，还为设计下一代具有更高耐久性的单原子催化剂提供了理论指导，有望推动其在能源转化和催化领域的广泛应用。
Unraveling Dynamic Structural Evolution of Single Atom Catalyst via In Situ Surface-Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy. J. Am. Chem. Soc., (2025), https://doi.org/10.1021/jacs.4c17565.
来源：华算科技