氮掺杂石墨烯上单个钴原子的三维图像。
在原子级微调的氮掺杂石墨烯-Co-N4催化剂中，钴原子与四个氮原子配位，形成方形平面结构。
多种催化剂作用下的双氧水产率对比。
《自然·材料》杂志报道，韩国基础科学研究院（IBS）领导的团队开发了一种由优化的Co-N4分子和氮掺杂石墨烯结合而成的新型电催化剂，其催化活性创下了新的纪录——双氧水的产量是贵金属催化剂的8倍。
正如人类需要沐浴洗去灰尘一样，半导体工业也需要清洗过程来确保无尘操作。然而，它对清洁度的要求非常严苛，即便是微量污染物也必须完全清除。如果这种高纯度要求的清洁步骤出了问题，硅芯片的电气连接可能会受到影响。随着电子产品的日益小型化，电子工业的清洁之难几乎与大海捞针无异。
双氧水是芯片制造业使用的主要电子清洁化学品之一。尽管双氧水的重要性与日俱增，但其制造方式却多以能源密集型工艺为主（如蒽醌法）。蒽醌法非常复杂、环保程度低，并且在加氢步骤需要使用昂贵的钯催化剂。此外，双氧水也可以直接由氢气和氧气合成，该方法涉及高压反应，反应条件比较苛刻。比较环保的方式是用电化学方法制备双氧水。然而，电化学工艺也需要使用贵金属催化剂，投资回报很低，不能满足工业需求。
IBS纳米粒子研究中心研究人员Taeghwan Hyeon、Yung-Eun Sung与首尔大学Jong Suk Yoo教授等合作开发的新型催化剂不仅成本仅约传统催化剂的两千分之一，并且稳定性良好——生产超过110小时，基本未出现活性流失。
此前，研究人员认为多相催化剂的催化性能只能通过改变元素组成来调控。而在Hyeon等的研究中，他们发现可以通过微调催化剂元素的局部原子构型来诱导非均相催化剂的特异性相互作用。Hyeon指出：“我们的成果使研究人员更接近于发现催化活性的基本性质。”
理论分析表明，氮掺杂石墨烯上钴原子的电荷密度与其配位结构高度相关。因此，通过引入富电子或贫电子元素来调控钴原子的电子密度。当富电子原子靠近钴原子时，后者会缺电子。而当贫电子原子接近钴原子时，后者则会出现相反的趋势。值得注意的是，钴原子的电子密度与双氧水的电化学生产工艺存在密切关联。
最终，研究人员通过理论模拟和纳米合成，实现了催化性能的原子精度控制。在常温常压下，每千克催化剂可在1天内参与制造341.2千克双氧水。Sung表示：“这是研究人员首次证实，多相催化剂的性能可以在原子精度上进行微调。在此基础上，我们设计的催化剂可以完全由钴、氮、碳和氧等地球富元素构成。”
科界原创
编译：雷鑫宇
审稿：西莫
责编：唐林芳
