Hydrogen Evolution Reactivity of Pentagonal Carbon Rings and p‐d Orbital Hybridization Effect with Ru

过电位 反应性(心理学) 碳纤维 化学 密度泛函理论 结晶学 电子转移 电子结构 材料科学 计算化学 物理化学 电化学 电极 复合材料 有机化学 病理 复合数 医学 替代医学
作者
Lei Gong,Fanjie Xia,Jiawei Zhu,Xueqin Mu,Ding Chen,Hongyu Zhao,Lei Chen,Shichun Mu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (50): e202411125-e202411125 被引量:74
标识
DOI:10.1002/anie.202411125
摘要

Topological defects are inevitable existence in carbon-based frameworks, but their intrinsic electrocatalytic activity and mechanism remain under-explored. Herein, the hydrogen evolution reaction (HER) of pentagonal carbon-rings is probed by constructing pentagonal ring-rich carbon (PRC), with optimized electronic structures and higher HER activity relative to common hexagonal carbon (HC). Furthermore, to improve the reactivity, we couple Ru clusters with PRC (Ru@PRC) through p-d orbital hybridization between C and Ru atoms, which drives a shortcut transfer of electrons from Ru clusters to pentagonal rings. The electron-deficient Ru species leads to a notable negative shift in d-band centers of Ru and weakens their binding strength with hydrogen intermediates, thus enhancing the HER activity in different pH media. Especially, at a current density of 10 mA cm-2, PRC greatly reduces alkaline HER overpotentials from 540 to 380 mV. And Ru@PRC even exhibits low overpotentials of 28 and 275 mV to reach current densities of 10 and 1000 mA cm-2, respectively. Impressively, the mass activity and price activity of Ru@PRC are 7.83 and 15.7 times higher than that of Pt/C at the overpotential of 50 mV. Our data unveil the positive HER reactivity of pentagonal defects and good application prospects.
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