Identification of single-atom active sites in carbon-based cobalt catalysts during electrocatalytic hydrogen evolution

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作者
Linlin Cao,Qiquan Luo,Wei Liu,Yue Lin,Xiaokang Liu,Yuanjie Cao,Wei Zhang,Yuen Wu,Jinlong Yang,Tao Yao,Shiqiang Wei
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:2 (2): 134-141 被引量:706
标识
DOI:10.1038/s41929-018-0203-5
摘要

Monitoring atomic and electronic structure changes on active sites under realistic working conditions is crucial for the rational design of efficient electrocatalysts. Identification of the active structure during the alkaline hydrogen evolution reaction (HER), which is critical to industrial water–alkali electrolysers, remains elusive and is a field of intense research. Here, by virtue of operando X-ray absorption spectroscopy on a uniform cobalt single-site catalyst, we report the atomic-level identification of the dynamic structure of catalytically active sites under alkaline HER. Our results reveal the formation of a high-valence HO–Co1–N2 moiety by the binding between isolated Co1–N4 sites with electrolyte hydroxide, and further unravel the preferred water adsorption reaction intermediate H2O–(HO–Co1–N2). Theoretical simulations rationalize this structural evolution and demonstrate that the highly oxidized Co sites are responsible for the catalytic performance. These findings suggest the electrochemical susceptibility of active sites, providing a coordination-engineered strategy for the advance of single-site catalysis. Carbon-based single-atom catalysts usually rely on nitrogen co-doping to stabilize the single metal atoms as metal–N4 moieties. Now, Wei, Yao and colleagues make use of operando techniques to show that under alkaline hydrogen evolution reaction conditions the Co–N4 active site undergoes structural distortion to a HO–Co–N2 configuration.
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