单原子中心催化剂（SACs）引起了极大的关注，并为许多应用带来了新的机遇。近日，苏州大学黄小青教授，南京师范大学李亚飞教授报道了一种通过简单的阳离子交换反应来制备铑（Rh）SAC的通用策略。研究人员采用阳离子交换法，在泡沫铜(CF)电极上制备出贵金属Rh SAC，并在CuO纳米线阵列上制备了贵金属Rh SAC。

文章要点

1）研究人员首次采用简易的湿化学氧化法制备了Cu(OH)₂ NAs/CF。然后将Cu(OH)₂ NAs/CF直接浸泡在一定浓度的Rh(III)氯化铑溶液中2 h，最后在Ar气氛下焙烧，得到Rh SAC-CuO NAs/CF。

2）SEM图像表明，在CF上成功地生成了NAs结构，经过与Rh前驱体的阳离子交换反应和随后的热处理后，在Rh-Cu(OH)₂ NAs/CF和Rh SAC-CuO NAs/CF上的NAs的形貌基本相同。此外，通过AC HAADF-STEM清晰地观察到一定数量Rh单原子分散在CuO的晶格中。同时，Rh SAC-CuO Nas的元素映射分析表明，Rh、Cu和O均匀分布。与此同时，研究人员通过XANES和EXAFS获得了Rh物种原子水平的电子和结构信息。Rh K边XANES谱表明，负载在CuO NA上的Rh原子的化学状态类似于具有三价态的Rh₂O₃。同时，在EXAFS谱中，只观察到一个由Rh-O峰贡献的1.5°左右的显著峰，而在Rh-SAC-CuO-NAs中没有检测到RhRh峰或Rh-O-Rh峰，表明Rh原子在CuO-NAS中是原子分散的。以上表征结果表明，经过阳离子交换和煅烧处理后，Rh物种以单原子形式存在于CuO晶格中，并清楚地证实了在CuO-NAs中形成了由Rh单原子组成的杂化。

3）实验结果显示，单原子Rh掺杂极大地改善了低效CuO NAs的性能。与可逆氢电极（RHE）相比，Rh SAC修饰的泡沫铜表面CuO纳米线阵列（Rh SAC-CuO NAs/CF）表现出前所未有的碱性析氧反应（OER）活性，电流密度为84.5 mA cm^-2@1.5V，，是Ir/C/CF的9.7倍。更引人注目的是，当Rh SAC-CuO-NaS/CF作为阳极和阴极进行整体水分解时，仅在1.51 V时就可以达到10 mA cm^-2的电流密度。

4）密度泛函理论计算表明，中间体在Rh SAC上的中等吸附能导致了较高的OER和HER本征催化活性。

5）研究人员展示了在CuONAs（M SAC-CuO NAs/Cf，其中M=Ru，Ir，Os和Au）上合成不同单原子金属催化剂的通用策略。

Haitao Xu, et al, Cation exchange strategy to single-atom noble-metal doped CuO nanowire arrays with ultralow overpotential for H₂O splitting, Nano Lett., 2020

DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02007

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02007