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Iodine-Doping-Induced Electronic Structure Tuning of Atomic Cobalt for Enhanced Hydrogen Evolution Electrocatalysis

电催化剂 材料科学 电子结构 兴奋剂 化学物理 纳米技术 化学 物理化学 电极 计算化学 电化学 有机化学 冶金 光电子学
作者
Jianbin Liu,Dashuai Wang,Kang Huang,Juncai Dong,Jiangwen Liao,Sheng Dai,Xuan Tang,Minmin Yan,Haisheng Gong,Jingjing Liu,Zhichao Gong,Rui Liu,Chunyu Cui,Gonglan Ye,Xiaolong Zou,Huilong Fei
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (11): 18125-18134 被引量:85
标识
DOI:10.1021/acsnano.1c06796
摘要

The development of strategies for tuning the electronic structure of the metal sites in single-atom catalysts (SACs) is the key to optimizing their activity. Herein, we report that iodine doping within the carbon matrix of a cobalt–nitrogen–carbon (Co–N–C) catalyst can effectively modulate its electronic structure and catalytic activity toward the hydrogen evolution reaction (HER). The iodine-doped Co–N–C catalyst shows exceptional HER activity in acid with an overpotential of merely 52 mV at 10 mA cm–2, a small Tafel slope of 56.1 mV dec–1, making it among the best SACs based on both precious and nonprecious metals. Moreover, this catalyst possesses a high turnover frequency (TOF) value of 1.88 s–1 (η = 100 mV), which is about 1 order of magnitude larger than that (0.2 s–1) of the iodine-free counterpart. Experimental and theoretical studies demonstrate that the introduction of iodine dopants lowers the chemical oxidation state of the Co sites, resulting in the optimized hydrogen adsorption and facilitated HER kinetics. This work provides an alternative strategy to regulate the electronic structure of SACs for improved performance.
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