Engineering Low-Coordination Single-Atom Cobalt on Graphitic Carbon Nitride Catalyst for Hydrogen Evolution

催化作用 氮化物 材料科学 过渡金属 化学 化学工程 纳米技术 冶金 有机化学 工程类 图层(电子)
作者
Xinghui Liu,Yuchen Deng,Lirong Zheng,Mallikarjuna Reddy Kesama,Cheng Tang,Yongfa Zhu
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:12 (9): 5517-5526 被引量:67
标识
DOI:10.1021/acscatal.2c01253
摘要

Although single-atom catalysts (SACs) have been at the vanguard of energy conversion research, the selection of suitable substrates and single-atom specification permits remains ambiguous. Herein, we fabricated Co-g-C3N4/rGO SACs (Co-CNG) by coupling the suitable single-atom Co with a promising substrate of g-C3N4/rGO. Remarkably, Co-CNG exhibits even comparable HER performance (10 mA cm–2 at ∼47 mV) with commercially available Pt/C (10 mA cm–2 at ∼48 mV) and outperformed non-noble transition-metal SACs under alkaline conditions since its mass activity is about 4 times that of Pt/C with the long-term durability of 500 h. Athena fitting of Co-CNG was conducted, revealing its two types of coordination structure, including 20% of Co-N and 80% of Co-3N. Notably, the Co-N coordination structure is responsible for boosting HER due to its downshift d-band center, unique electronic structures, and low free energy barriers based on density functional theory. This study not only reveals that Co-CNG shows HER performance due to its unique SACs coordination of Co-N but also proves a way for catalyst optimization by specifically coordination engineering for particular applications.
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