Synergistic Acid Hydrogen Evolution of Neighboring Pt Single Atoms and Clusters: Understanding Their Superior Activity and Mechanism

化学 塔菲尔方程 过电位 铂金 催化作用 密度泛函理论 星团(航天器) Atom(片上系统) 物理化学 计算化学 电化学 有机化学 电极 嵌入式系统 程序设计语言 计算机科学
作者
Chao Wang,Hu Zang,Changjiang Liu,Jiahao Wang,Long Kuai,Baoyou Geng
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:62 (17): 6856-6863 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.3c00680
摘要

The hydrogen evolution reaction (HER) involves two-step elementary reactions, providing an opportunity to establish dual-site synergistic catalysts. This work demonstrates carbon-supported Pt single atoms and clusters (Pt1+Cs-NPC) as an efficient catalyst for acidic HER, which exhibits an ultralow Tafel slope of 12.5 mV/dec and an overpotential of 24 mV at 10 mA/cm2 with an ultralow platinum content of 3.8 wt %. The Pt mass activity and turnover frequency (TOF) are 10.2 times and 5.4 times that of commercial Pt/C, respectively. The density functional theory (DFT) study shows that the Pt cluster regulates the electronic state structure of the adjacent Pt single atom, so that the ΔGH* at the Pt1 site approaches 0. Moreover, the DFT study confirms that Pt clusters and neighboring Pt single atoms can synergistically catalyze the Tafel step and reduce the energy barrier in forming the H–H bond. At the same time, the platinum cluster reduces the energy barrier of the nearby platinum single-atom site to the Heyrovsky step and accelerates the reaction with hydrated hydrogen ions. Studies have shown that platinum clusters and platinum single-atom composite loading structures exhibit excellent activity for the Volmer–Tafel or Volmer–Heyrovsky reaction paths of HER reactions. This work provides a clear understanding of the synergistic effect of Pt1+Cs-NPC, which provides guidance for developing efficient HER catalysts.
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