Stabilizing Low‐Valence Single Atoms by Constructing Metalloid Tungsten Carbide Supports for Efficient Hydrogen Oxidation and Evolution

价(化学) 碳化钨 催化作用 化学物理 金属 化学 电子结构 材料科学 结晶学 计算化学 有机化学 冶金
作者
Luqi Wang,Zipeng Xu,Chun‐Han Kuo,Jian Peng,Feng Hu,Linlin Li,Han‐Yi Chen,Jiazhao Wang,Shengjie Peng
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:62 (42) 被引量:126
标识
DOI:10.1002/anie.202311937
摘要

Abstract Designing novel single‐atom catalysts (SACs) supports to modulate the electronic structure is crucial to optimize the catalytic activity, but rather challenging. Herein, a general strategy is proposed to utilize the metalloid properties of supports to trap and stabilize single‐atoms with low‐valence states. A series of single‐atoms supported on the surface of tungsten carbide (M‐WC x , M=Ru, Ir, Pd) are rationally developed through a facile pyrolysis method. Benefiting from the metalloid properties of WC x , the single‐atoms exhibit weak coordination with surface W and C atoms, resulting in the formation of low‐valence active centers similar to metals. The unique metal‐metal interaction effectively stabilizes the low‐valence single atoms on the WC x surface and improves the electronic orbital energy level distribution of the active sites. As expected, the representative Ru‐WC x exhibits superior mass activities of 7.84 and 62.52 A mg Ru −1 for the hydrogen oxidation and evolution reactions (HOR/HER), respectively. In‐depth mechanistic analysis demonstrates that an ideal dual‐sites cooperative mechanism achieves a suitable adsorption balance of H ad and OH ad , resulting in an energetically favorable Volmer step. This work offers new guidance for the precise construction of highly active SACs.
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