Defect-stabilized platinum single atoms and clusters in bilayer nitrogen-doped porous carbon nanocages for synergistic catalysis of basic hydrogen evolution

纳米笼 催化作用 化学 碳纤维 铂金 Atom(片上系统) 化学工程 无机化学 材料科学 有机化学 计算机科学 复合数 工程类 嵌入式系统 复合材料
作者
Chao Wang,Feiran Chen,Qinru Wang,Xiaofeng Yang,Hu Zang,Nan Yu,Baoyou Geng
出处
期刊:Carbon [Elsevier BV]
卷期号:201: 278-284 被引量:44
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2022.09.018
摘要

Alkaline water electrolysis is a safe and efficient method for producing hydrogen that is favored by the industry. At present, single-atom catalysts have attracted extensive attention due to their extremely high atom utilization. However, studies on the single-atom site catalytic mechanism of the Volmer step, the rate-determining step of the cathodic HER reaction, are lacking. Here, we used ZIF-8 to obtain double-layer N-doped porous carbon nanocages, and successfully achieved the co-loading of Pt single atoms and their clusters (NPCN–Pt). The turnover frequency (TOF) and mass activity of NPCN–Pt are 5 and 7.2 times higher than those of commercial Pt/C, respectively, and the former exhibits significantly better stability than Pt/C. Theoretical calculations show that Pt clusters have a lower activation energy barrier for water molecules compared to Pt single atoms, which favors the Volmer step. The ΔGH* of Pt single-atom sites is smaller than that of Pt clusters, which is more conducive to the release of H2. The study shows that Pt clusters and single atoms can synergistically catalyze the HER reaction, providing new ideas for the development of efficient HER catalysts.
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