Operando visualization of the hydrogen evolution reaction with atomic-scale precision at different metal–graphene interfaces

石墨烯 催化作用 电化学 扫描隧道显微镜 材料科学 铂金 单层 原子单位 纳米技术 量子隧道 化学物理 化学 电极 物理化学 光电子学 物理 有机化学 量子力学
作者
Tomasz Kosmala,Anu Baby,Marco Lunardon,Daniele Perilli,Hongsheng Liu,Christian Durante,Cristiana Di Valentin,Stefano Agnoli,Gaetano Granozzi
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:4 (10): 850-859 被引量:160
标识
DOI:10.1038/s41929-021-00682-2
摘要

The development of catalysts for the hydrogen evolution reaction is pivotal for the hydrogen economy. Thin iron films covered with monolayer graphene exhibit outstanding catalytic activity, surpassing even that of platinum, as demonstrated by a method based on evaluating the noise in the tunnelling current of electrochemical scanning tunnelling microscopy. Using this approach, we mapped with atomic-scale precision the electrochemical activity of the graphene–iron interface, and determined that single iron atoms trapped within carbon vacancies and curved graphene areas on step edges are exceptionally active. Density functional theory calculations confirmed the sequence of activity obtained experimentally. This work exemplifies the potential of electrochemical scanning tunnelling microscopy as the only technique able to determine both the atomic structure and relative catalytic performance of atomically well-defined sites in electrochemical operando conditions and provides a detailed rationale for the design of novel catalysts based on cheap and abundant metals such as iron. Establishing structure–activity relationships is crucial for the design of improved catalysts. Now, by developing a method based on electrochemical scanning tunnelling microscopy, the active sites of graphene/iron/platinum interfaces are visualized with atomic-scale precision in real time during the hydrogen evolution reaction.
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