通讯单位：北京化工大学、中国科学技术大学
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前言介绍
具有高能量密度(~142MJ/kg)的氢被认为是未来替代化石燃料的主要清洁能源。值得注意的是，由可再生能源驱动的电化学水分解是产生绿色能源氢的理想和有前途的方法。然而，绿色氢的广泛应用在很大程度上受到贵金属催化剂稀缺的限制。因此，开发高活性、低成本的电催化剂来替代传统的商用贵金属催化剂显得尤为必要。
02
本文要点
1.通过简便的一步法成功构建了锚定在Co(OH)2上的高密度Pt（24个原子nm-2）和Ir（32个原子nm-2）。
2.值得注意的是，对于HER和OER，Pt1/Co(OH)2和Ir1/Co(OH)2在10mAcm-2下分别仅提供4和178mV，接近世界纪录水平。
3.在双电极体系中，Pt1/Co(OH)2和Ir1/Co(OH)2的质量活度分别是Pt/C和IrO2的41.8倍和152.9倍。
4.此外，组装的Pt1/Co(OH)2//Ir1/Co(OH)2体系在流动碱水电解槽(AWE)中在2.0V下的质量活性为4.9Amgnoblemetal-1，比其高近316.1倍Pt/C//IrO2。
5.进一步的机制研究表明，Pt1/Co(OH)2和Ir1/Co(OH)2在HER和OER过程中都表现出明显的表面重建。具体来说，重建的Ir-O6单原子增强了Ir-O键合轨道的占有率，有助于OER过程中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，有利于氢的脱附。因此，大大提高了OER和HER的催化活性。
6.此外，这种简便的一步法也被推广到制造其他20种SAC。在这项工作中，我们提供了一种构建SAC库的通用方法，并为深入了解水分解过程中SAC的增强机制奠定了基础。
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图文介绍
图1.a)Pt1/Co(OH)2的SEM图像。b)Pt1/Co(OH)2的HAADF-STEM图像。c)HAADF强度分析的线轮廓。d)Pt1/Co(OH)2的元素分布图。e)不同样品的XANES光谱。f)EXAFS光谱。插图是Pt-Cl4的配位模型。g)Ir1/Co(OH)2的SEM图像。hIr1/Co(OH)2的HAADF-STEM图像。i)HAADF强度分析的线轮廓。j)Ir1/Co(OH)2的元素分布图。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.a、b)线性扫描伏安法(LSV)曲线和电催化剂在HER过程中的过电势比较。c)Pt1/Co(OH)2在HER过程中的稳定性测试。插图显示CV循环前后的LSV曲线。d,e)LSV曲线和电催化剂在OER过程中的过电势比较。f)OER过程中Ir1/Co(OH)2的稳定性测试。插图显示了CV循环前后的LSV曲线。g)双电极系统中整体水分解的LSV曲线。插图是双电极电池的示意图。h)Pt1/Co(OH)2//Ir1/Co(OH)2在双电极系统中的稳定性测试。插图对应于气体收集测试。i)催化剂的质量活性比较。
图3.a)在AWE中测得的LSV曲线。插图是AWE在工作状态下的照片。b)AWE装置中Pt1/Co(OH)2//Ir1/Co(OH)2系统的耐久性测试。插图是AWE装置的示意图。c)OER前后催化剂的CoK-edgeXANES光谱。d)OER前后样品CoK-edge的FT-EXAFS曲线。e)OER后各种催化剂的IrL-edgeXANES光谱。f)OER后每个样品的IrL-edge的FT-EXAFS曲线。插图是OER后Ir单原子的首层配位模型。g)HER后催化剂的PtL-edgeXANES光谱。h)HER后催化剂PtL-edge的FT-EXAFS曲线i)HER之后的PtL-edge扩展XANES振荡函数k3χ(k)。
图4.a、b)CoOOH模型的侧视图和俯视图。c、d）分别是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的偏态密度(PDOS)。线、蓝线和黄线分别代表O、Co和Ir的PDOS。h)COHP和ICOHP用于吸附Ir1/CoOOH中的Ir-O和CoOOH中的Co-O的OOH中间体。i)COHP和ICOHP用于吸附O-O在Ir1/CoOOH和CoOOH中的OOH中间体。j,k)Pt1/Co(OH)2的结构模型，分别为侧视图和俯视图。l,m)Pt3/Co(OH)2模型的侧视图和俯视图。n)HER的反应自由能图。插图显示了中间体在每个步骤中对Pt3/Co(OH)2的吸附。o)COHP和ICOHP吸附Pt-H在Pt1/Co(OH)2和Pt3/Co(OH)2中的H中间体。
图5.a)单原子催化剂库示意图。M1和M2分别代表不同的单原子（粉色元素）和载流子金属原子（黄色元素）。b-m)以Co(OH)2为载体时不同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。
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论文信息
DongCao,ZhirongZhang,YahuiCui,RunhaoZhang,LipengZhang,JieZeng,andDaojianCheng，One-stepApproachforConstructingHighDensitySingle-atomCatalyststowardOverallWaterSplittingatIndustrialCurrentDensities.Angew.Chem.Int.Ed.2022,e202214259.
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导师介绍
课题组拥有一流的工作平台，开放活跃的学术氛围和丰富的国内外交流合作机会。现有平台和仪器包括原位DRIFTS、TPD-MS、BET、电化学测试一体化测试平台、各类固定床和浆态床反应器、UV、Plasma等多种催化剂表征和测试仪器。此外课题组和上海光源、合肥光源具有高度密切的合作关系，并以此搭建了各类原位测试平台。