Angew. Chem. ：单原子密度调控构筑最优的火山型析氢催化剂

单原子（SAs）具有最高的利用率和选择性等优势在催化领域受到了研究者广泛的关注。然而，目前的研究主要是将SAs均匀地负载在载体表面。均匀担载有利于形成均一的相，但不利于调节SAs局部配位环境。通过有限的 SAs进行局部改性来获得高活性、长寿命且低成本的催化剂是一项紧迫而又非常具有挑战性的工作。

鉴于此，上海理工大学杨伟伟老师，李贵生教授和刘鑫洋硕士生等在还原氧化石墨烯（rGO）表面单载具有氧空位的氧化铈（CeO_2-X），从而实现Pt_SA在CeO_2-X表面的定向生长，具体如图1。

图1 PtSA在CeO_2-X表面定向生长的合成示意图。

在合成过程中，由于CeO_2-X带正电，GO带负电，所以带负电的[PtCl₆]^2-将选择性的吸附在CeO_2-X表面而不是整个CeO_2-X/rGO基面。通过控制CeO_2-X的密度实现对PtSA局部密度进行有效的调控，本实验中设计了三种不同密度的CeO_2-X纳米颗粒负载在rGO上，从而进一步调控CeO_2-X纳米颗粒上负载Pt_SA的密度，最终得到最优的Pt_SA原子间距用于电催化氢析出反应（HER），具体如图2。

图2 不同Pt_SA密度催化剂的设计、形貌和物相结构表征。

随着Pt_SA在CeO_2-X表面密度的变化，催化剂呈现了典型的火山形 HER电催化活性，这主要归因于合适的PtSA有利于形成更优的 H*自由基密度。研究结果表明：中等密度的 Pt_SA-M-CeO_2-X/rGO催化剂在电流密度为 −10 mA cm⁻²的条件下，其酸性、碱性和中性溶液条件下的过电位分别为 25，33 和21 mV，表现出了优异的电催化HER活性，远优于商业化的10% Pt/C和相关Pt_SA均匀生长的催化剂，具体如图3。DFT 理论计算进一步表明：Pt_SA密度和氧空位之间的协同作用可以降低氢吸附自由能(ΔG_H*)，从而有利于 HER 性能的提高。

在本研究中我们设计了具有最佳Pt_SA原子间距的Pt_SA-M-CeO_2-X/rGO催化剂，其在全pH的条件下具有最优的HER活性和循环稳定性。这项研究通过调控中间体氧化物的密度、单原子间距和晶格缺陷，为催化剂的合理设计提供了一种较好的思路。

图3 催化剂的电催化HER活性测试。

论文信息

Directional Growth and Density Modulation of Single-Atom Platinum for Efficient Electrocatalytic Hydrogen Evolution

Xinyang Liu, Yuxuan Zhou, Jingkai Lin, Xiao Xiao, Zhijun Wang, Liangyong Jia, Mengyuan Li, Prof. Ke Yang, Prof. Jinchen Fan, Prof. Weiwei Yang, Prof. Guisheng Li

论文的第一作者是上海理工大学硕士研究生刘鑫洋，通讯作者为上海理工大学杨伟伟老师。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202406650