构建高活性、耐用和经济高效的催化剂是绿色制氢的迫切需要。北京化工大学程道建教授和中国科学技术大学曾杰教授通过简单的一步方法构建了锚定在Co（OH）2上的高密度Pt（24个原子nm-2）和Ir（32个原子nm-2）单原子。结果显示，Pt1/Co（OH）2和Ir1/Co（OH）2对于HER和OER，在10 mA cm-2下分别提供4和178 mV。相关工作以“One-step Approach for Constructing High Density Single-atom Catalysts
toward Overall Water Splitting at Industrial Current Densities”为题发表在国际著名期刊Angewandte
Chemie International Edition上。要点1. 对于析氢反应和析氧反应，Pt1/Co（OH）2和Ir1/Co（OH）2在10 mA cm-2下仅分别提供4和178
mV。在双电极体系中，Pt1/Co（OH）2和Ir1/Co（OH）2的质量活性分别是Pt/C和IrO2的41.8和152.9倍。要点2. 组装的Pt1/Co（OH）2//Ir1/Co（OH）2体系在碱性水电解槽（AWE）中在2.0 V下表现出4.9 A mg-1的质量活性，是Pt/C//IrO2的316.1倍。要点3. 理论表明，重建的Ir-O6单原子增强了IrO键轨道的占有率，有助于OER期间O-O键的形成。同时，重塑的三重Pt原子增强了Pt-H反键轨道的占据，有利于氢的解吸。因此，OER和HER的催化活性大大提高。这种简单的一步方法也被推广到制造其他20种SAC。该工作提供了一种构建SAC库的通用方法，并为深入理解水分裂过程中SAC的增强机制奠定了基础。图1.（a）Pt1/Co（OH）2的SEM。（b）Pt1/Co（OH）的HAADF-STEM。（c）HAADF强度分析的线轮廓。（d）Pt1/Co（OH）2的元素映射图。（e）不同样品的XANES光谱。（f）EXAFS光谱。插图为Pt-Cl4的配位模型。（g）Ir1/Co（OH）的SEM。（h）Ir1/Co（OH）2的HAADF-STEM。（i）HAADF强度分析的线轮廓。（j）Ir1/Co（OH）2元素映射图。（k）各种样品的XANES光谱。（l）EXAFS光谱。插图是Ir-Cl6的配位模型。图2. 电催化剂在HER期间的（a、b）线性扫描伏安法（LSV）曲线和过电势的比较。（c）HER期间Pt1/Co（OH）2的稳定性试验。插图显示CV循环前后的LSV曲线。（d、e）电催化剂在OER期间LSV曲线和过电势的比较。（f）OER期间Ir1/Co（OH）2的稳定性试验。插图显示了CV循环前后的LSV曲线。（g）双电极系统中总水分解的LSV曲线。插图是双电极电池的示意图。（h）Pt1/Co（OH）2//Ir1/Co（OH）2在双电极体系中的稳定性试验。插图对应于气体收集测试。（i）催化剂质量活性比较。图3.（a）在AWE中测量的LSV曲线。插图是AWE在工作状态下的照片。（b）Pt1/Co（OH）2//Ir1/Co（OH）2系统在AWE装置中的耐久性试验。插图为AWE装置示意图。（c）OER前后催化剂的Co-K-edge
XANES光谱。（d）OER前后样品的Co K-edge FT-EXAFS曲线。(e）OER后各种催化剂的Ir-L-edge XANES光谱。(f）OER后每个样品的Ir L-edge
FT-EXAFS曲线。插图是OER后Ir单原子的第一个壳层配位模型。(g）HER后催化剂的Pt L-edge
XANES光谱。(h）HER后催化剂Pt L-edge的FT-EXAFS曲线。（i）HER后Pt L-edge扩展XANES振荡函数k3χ。图4.（a、b）CoOOH模型的侧视图和俯视图。（c、d）Ir1/CoOOH模型的侧视图和俯视图。（e）OER的反应自由能图。（f）中间体在Ir1/CoOOH上的吸附和反应自由能。（g）CoOOH和Ir1/CoOOH的部分态密度（PDOS）。红色、蓝色和黄色线分别表示O、Co和Ir的PDOS。（h）在Ir1/CoOOH中的Ir-O和CoOOH的Co-O吸附的OOH中间体的COHP和ICOHP。（i）在Ir1/CoOOH和CoOOH中O-O吸附的OOH中间体COHP和ICOHP。（j、k）Pt1/Co（OH）2的结构模型（侧视图和俯视图）。（l、m）Pt3/Co（OH）2模型，侧视图和俯视图。（n）HER的反应自由能图。插图显示在Pt3/Co（OH）2上每一步中间体的吸附。（o）Pt1/Co（OH）2和Pt3/Co（OH）2中吸附的H中间体的HCOHP和ICOHP。图5.（a）单原子催化剂库示意图。M1和M2分别表示不同的单原子（粉色元素）和载体金属原子（黄色元素）。（b-m）当Co（OH）2用作载体时，不同SAC的HAADF-STEM图像。（n、o）Ir1/Cr3O4和Pt1/Cr3O4的HAADF-STEM图像。（p、q）Ir1/Mn3O4和Pt1/Mn3O4的HAADF-STEM图像。（r、s）Ir1/Fe2O3和Pt1/Fe2O3的HAADF-STEM图像。（t、u）Ir1/Ni（OH）2和Pt1/Ni（OH）2的HAADF-STEM图像。One-step Approach for Constructing High Density Single-atom Catalysts
toward Overall Water Splitting at Industrial Current Densities
Dong
Cao, Zhirong Zhang, Yahui Cui, Runhao Zhang, Lipeng Zhang, Jie Zeng,* Daojian
Cheng*DOI:10.1002/anie.202214259
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