碳载金属单原子催化剂的配位环境与杂原子的排布密切相关，而经由热解过程制备催化剂时通常面临前驱体结构坍塌的问题，如何精准控制单原子催化剂中的配位原子仍是优化其催化性能以及解析催化机制的重要前提。

近日，田静琦教授、蒋腾飞副教授和南特大学Romain Gautier研究员共同提出拓扑杂原子转移策略用于调控碳载金属单原子的配位环境。通过石墨烯量子点自组装形成螺旋纤维结构，利用组装体内部空腔的悬挂基团螯合金属离子（N_x···Mⁿ⁺···O_y），充分发挥石墨烯量子点的石墨化结构特性，有效避免了热解过程中的结构坍塌，将杂原子由组装体转移至单原子催化剂中，实现了碳载钴单原子催化剂中杂原子的精准排布（Co–P_xN_4-x–C, x= 0,1,2,3)。其中Co-P₂N₂-C显示出优异的碱性电解水析氢性能。通过系列表征手段解析催化剂结构，结合理论计算研究催化机制，表明所引入的P原子不仅改变了钴中心的电子结构、影响反应物和中间体的吸附，还可以作为有效的质子受体进而改变中间体H*的转移路径，优化反应动力学。该研究成果发表在Nat. Commun.上，第一作者为扬州大学在读博士生钱胜。

论文信息: Sheng Qian, Feng Xu, Yu Fan, Ningyan Cheng, Huaiguo Xue, Ye Yuan, Romain Gautier*, Tengfei Jiang*, Jingqi Tian*, Tailoring coordination environments of single-atom electrocatalysts for hydrogen evolution by topological heteroatom transfer. Nat Commun 15, 2774 (2024).

文章链接: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47061-6。