文献解读 || AEM II 播种单原子种子-超低贵金属负载促进析氢反应的通用策略

文章背景

为了平衡金属基催化剂的性能和成本，开发低负荷的贵金属基电催化剂是当务之急。在不牺牲其催化活性的情况下减少贵金属的消耗在原子水平上合理设计和可控制备催化剂，即形成贵金属单原子催化剂(NMSACs)属于这一策略。

NMSACs具有最大的原子利用效率、良好的单原子色散和独特的配位环境等优点，被认为是理想的水解电催化剂，可在实现高催化活性的同时降低昂贵贵金属的负载。

金属原子与载体之间的强相互作用对避免移动单原子的烧结和失活起着重要作用。支架的锚定效应可有效地固定单个金属原子并降低其表面能，已被认为是加强金属原子与支架之间相互作用的有效策略通常。

由于空轨道的存在，可以通过与含有孤对电子的配位不饱和原子(如C、O、N、S等)结合来稳定单个金属原子。

文章详情

作者提出了一种所谓的播种单原子种子策略，通过配位结构来普遍合成超低负载的NMSACs。通过金属有机骨架(MOF)的电化学还原得到含有Ni²⁺空位的氢氧化镍(V_Ni-Ni(OH)^x)作为土壤。

由于地面上的孔洞，这些空位因此允许Pt单原子种子插入或捕获，从而形成Pt-O₄四齿结构作为根。实验表征和理论计算证明，所制备的Pt-O₄四齿结构能有效地固定Pt单原子，防止铂原子聚集。

制备的超低负载(≈0.17 wt%) Pt-Ni(OH)x在碱性析氢反应(HER)中表现出58 mV的低过电位，电流密度为10 mA cm⁻²。这种播种策略也适用于其他贵金属催化剂，如Ir和Ru。此研究提出了一种新颖、通用的超低负载NMSAC制备方法，为高效HER电催化剂的设计提供了新的思路。

结果与讨论

综上所述，作者提出了一种通用的播种策略来制备超低负荷的NMSAC。以Pt-Ni (OH)_x(约≈0.17 wt%)为例，在MOF衍生过程中，Pt单原子种子被Ni²⁺空位孔捕获。

由此产生的Pt-O4配位根有利于稳定NMSACs，并通过模型依赖的EXAFS拟合进行了分析。根据DFT理论研究，利用四齿Pt-O4配位结构优化了固有较差的电子导电性和ΔGH*。

因此，Pt-SAC或Pt-Ni(OH)x电催化剂提供了高的HER性能。这种播种通用策略为实际HER和整体水分解的高性能电催化剂提供了新途径。

Sowing Single Atom Seeds: A Versatile Strategy for Hyper-Low Noble Metal Loading to Boost Hydrogen Evolution Reaction.

DOI：10.1002/aenm.202203955.

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