Lihua Gong&张永辉&刘健Angew.：亚纳米反应器实现Yolk-Shell MoS2负载单原子催化剂的HER！

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研究内容

氢能对解决能源需求和碳中和至关重要，电化学水裂解是生产绿色氢的可行技术。具有最大原子效率的单原子催化剂（SACs）被广泛的应用于电化学水裂解。得益于强大的金属-载体相互作用，衬底可以稳定单原子并调节SACs的电子结构。配位结构决定了SACs的电催化性能，而精确调节其空间位置和配位环境仍然是一个挑战。

郑州轻工业大学Lihua Gong、张永辉和中国科学院大连化学物理研究所刘健报道了一种通用的亚纳米反应器策略，用于合成蛋黄-壳结构的MoS₂负载单原子电催化剂，该催化剂具有富含空位的MoS₂和插层碳的双锚定微环境，壳实现稳健的析氢反应（HER）。结果显示，优化的C-Co-MoS_2可产生最低的过电位（η₁₀=17 mV），并且即使与制备的单锚定类似物相比，活性也提高了5-9倍。相关工作以“Universal Sub-Nanoreactor Strategy for Synthesis of Yolk-Shell MoS₂Supported Single Atom Electrocatalysts toward Robust Hydrogen Evolution Reaction”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

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研究要点

要点1. 作者通过通用的亚纳米反应器策略，制备了双锚定的C-M-MoS₂ SACs（M=Co、Ni、Fe、Zn、W、Cu、Mn和Cd），通过调节单原子的空间位置和局部微环境来增强电催化析氢反应（HER）。

要点2. 密度泛函理论（DFT）计算表明，金属单原子不仅可以在硫空位处的有效“E锁”的帮助下稳定在双载体中，而且可以在C-M-Mo界面产生可调谐的电子转移。硫空位和插层碳作为双载体，形成“E锁”和“E通道”有利于稳定和活化金属单原子。此外，亚纳米反应器策略是通用的。

要点3. 与报道的基于MoS₂的电催化剂相比，优化的C-Co-MoS₂表现出更优异的HER性能，其最低的过电位（η₁₀=17 mV），与单锚定的Co-MoS₂和C-Co催化剂相比，活性提高了5-9倍。有限元分析（FEA）结果表明，双锚定电极上的电流密度的强度和分布比单锚定电极要好得多。DFT结果、原位XRD和拉曼表征揭示了C-Co-MoS₂的实际活性位点和耐久性。

该工作涉及双载体中金属单原子配位结构的精确优化，并可能为通过亚纳米反应器的微环境工程制备先进的电催化剂提供线索。

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研究图文

图1. 活性和稳定性的理论计算。

图2. C-M-MoS₂ SACs的通用合成和形态表征。

图3. 所制备的MoS₂基材料的结构信息。

图4. 所制备的SACs在酸中的电化学测量和有限元分析结果。

图5. C-Co-MoS₂SACs催化中心的鉴定、原位表征和耐久性。

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文献详情

Universal Sub-Nanoreactor Strategy for Synthesis of Yolk-Shell MoS₂ Supported Single Atom Electrocatalysts toward Robust Hydrogen Evolution Reaction

Feilong Gong, Yuheng Liu, Yang Zhao, Wei Liu, Guang Zeng, Guoqing Wang, Yonghui Zhang,* Lihua Gong,* Jian Liu*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202308091