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Single-Atom Cr–N4 Sites with High Oxophilicity Interfaced with Pt Atomic Clusters for Practical Alkaline Hydrogen Evolution Catalysis

化学 催化作用 离解(化学) 共价键 热稳定性 吸附 离子交换 无机化学 化学工程 物理化学 离子 有机化学 工程类
作者
Lingyou Zeng,Zhonglong Zhao,Qizheng Huang,Chenhui Zhou,Wenxing Chen,Kai Wang,Menggang Li,Fangxu Lin,Heng Luo,Yu Gu,Lu Li,Shipeng Zhang,Fan Lv,Gang Lü,Mingchuan Luo,Shaojun Guo
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (39): 21432-21441 被引量:78
标识
DOI:10.1021/jacs.3c06863
摘要

Although dispersing Pt atomic clusters (ACs) on a conducting support is a promising way to minimize the Pt amount required in hydrogen evolution reaction (HER), the catalytic mass activity and durability of Pt ACs are often unsatisfactory for alkaline HER due to their unfavorable water dissociation and challenges in stabilizing them against agglomeration and detachment. Herein, we report a class of single-atom Cr–N4 sites with high oxophilicity interfaced with Pt ACs on mesoporous carbon for achieving a highly active and stable alkaline HER in an anion-exchange-membrane water electrolyzer (AEMWE). The as-made catalyst achieves the highest reported Pt mass activity (37.6 times higher than commercial Pt/C) and outstanding operational stability. Experimental and theoretical studies elucidate that the formation of a unique Pt–Cr quasi-covalent bonding interaction at the interface of Cr–N4 sites and Pt ACs effectively suppresses the migration and thermal vibration of Pt atoms to stabilize Pt ACs and contributes to the greatly enhanced catalytic stability. Moreover, oxophilic Cr–N4 sites adjacent to Pt ACs with favorable adsorption of hydroxyl species facilitate nearly barrierless water dissociation and thus enhance the HER activity. An AEMWE using this catalyst (with only 50 μgPt cm–2) can operate stably at an industrial-level current density of 500 mA cm–2 at 1.8 V for >100 h with a small degradation rate of 90 μV h–1.
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