Identifying the Bifunctional Mechanism in Alkaline Water Electrolysis by Lewis Pairs at the Single-Atom Scale

化学 双功能 电解 机制(生物学) 比例(比率) Atom(片上系统) 无机化学 物理化学 有机化学 电极 催化作用 哲学 嵌入式系统 物理 认识论 电解质 量子力学 计算机科学
作者
Hongqiang Jin,Xiang Chen,Yumin Da,Lei Fan,Rui Jiang,Yukun Xiao,Bingqing Yao,Qian He,Yu Yu,Wei Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (4): 3874-3884 被引量:47
标识
DOI:10.1021/jacs.4c18040
摘要

The bifunctional mechanism, involving multiactive compositions to simultaneously dissociate water molecules and optimize intermediate adsorption, has been widely used in the design of catalysts to boost water electrolysis for sustainable hydrogen energy production but remains debatable due to difficulties in accurately identifying the reaction process. Here, we proposed the concept of well-defined Lewis pairs in single-atom catalysts, with a unique acid-base nature, to comprehensively understand the exact role of multiactive compositions in an alkaline hydrogen evolution reaction. By facilely adjusting active moieties, the induced synergistic effect between Lewis pairs (M-P/S/Cr pairs, M = Ru, Ir, Pt) can significantly facilitate the cleavage of the H-OH bond and accelerate the removal of intermediates, thereby switching the rate-determining step from the Volmer step to the Heyrovsky step. Moreover, the representative Ru-P Lewis pairs deliver an impressive 266 h durability at a high industrial current density of 2 A cm-2 without activity decay in anion-exchange membrane water electrolysis, and the concept can be extended to modify commercial noble-metal-based catalysts for performance enhancement. This work not only sheds light on the important effect of the bifunctional mechanism in alkaline water electrolysis at the single-atom scale but also offers a universal descriptor for the rational design of advanced catalysts.
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