Moving beyond bimetallic-alloy to single-atom dimer atomic-interface for all-pH hydrogen evolution

双金属片 催化作用 二聚体 离解(化学) Atom(片上系统) 化学 纳米材料 氢原子 纳米技术 材料科学 物理化学 计算机科学 有机化学 嵌入式系统 烷基
作者
Ashwani Kumar,Viet Q. Bui,Jinsun Lee,Lingling Wang,Amol R. Jadhav,Xinghui Liu,Xiaodong Shao,Yang Liu,Jihong Yu,Yosep Hwang,Huong Thi Bui,Sara Ajmal,Min Kim,Seong‐Gon Kim,Gyeong‐Su Park,Yoshiyuki Kawazoe,Hyoyoung Lee
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:12 (1) 被引量:116
标识
DOI:10.1038/s41467-021-27145-3
摘要

Single-atom-catalysts (SACs) afford a fascinating activity with respect to other nanomaterials for hydrogen evolution reaction (HER), yet the simplicity of single-atom center limits its further modification and utilization. Obtaining bimetallic single-atom-dimer (SAD) structures can reform the electronic structure of SACs with added atomic-level synergistic effect, further improving HER kinetics beyond SACs. However, the synthesis and identification of such SAD structure remains conceptually challenging. Herein, systematic first-principle screening reveals that the synergistic interaction at the NiCo-SAD atomic interface can upshift the d-band center, thereby, facilitate rapid water-dissociation and optimal proton adsorption, accelerating alkaline/acidic HER kinetics. Inspired by theoretical predictions, we develop a facile strategy to obtain NiCo-SAD on N-doped carbon (NiCo-SAD-NC) via in-situ trapping of metal ions followed by pyrolysis with precisely controlled N-moieties. X-ray absorption spectroscopy indicates the emergence of Ni-Co coordination at the atomic-level. The obtained NiCo-SAD-NC exhibits exceptional pH-universal HER-activity, demanding only 54.7 and 61 mV overpotentials at -10 mA cm-2 in acidic and alkaline media, respectively. This work provides a facile synthetic strategy for SAD catalysts and sheds light on the fundamentals of structure-activity relationships for future applications.
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