Single‑Atom‑Induced Electronic Polarization at Adjacent Cluster Promotes Efficient Hydrogen Storage in Magnesium Hydride

催化作用 氢化物 材料科学 氢气储存 星团(航天器) 化学物理 极化(电化学) 氢化镁 密度泛函理论 原子单位 电子 电子结构 费米能级 无机化学 物理化学 复合数 结合能 原子物理学 费米能量 纳米技术 金属 工作(物理) 电化学 扩散 活化能 光化学
作者
Ruonan Liu,Yao Pang,Xiaofang Liu,Jianmei Huang,Jianglan Shui
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:: e73813-e73813
标识
DOI:10.1002/smll.73813
摘要

ABSTRACT Single‐atom/cluster composite catalysts demonstrate remarkable advantages in heterogeneous catalysis due to their unique electronic synergy, yet their catalytic performance and mechanisms in solid‐state hydrogen storage reactions remain poorly explored. Here we construct a niobium‐based single‐atom/cluster composite catalyst (Nb SA/AC ) on magnesium hydride (MgH 2 ), a representative hydrogen‐storage material. Nb SA/AC enables MgH 2 to release approximately 4 wt.% H 2 at a temperature as low as 175°C, outperforming both Nb single‐atom and cluster catalysts, as well as most reported catalysts. Theoretical calculations reveal a synergistic mechanism of “single‐atom‐induced interfacial electron polarization of adjacent clusters,” clarifying that the clusters act as the main active sites, while the single atoms serve as electronic regulators. During dehydrogenation, Nb single atoms induce a strong electron‐deficiency at Nb cluster, weakening the Mg─H bond and promoting hydrogen migration from MgH 2 to Nb clusters. During hydrogenation, the single atoms moderately increase the electron density of the clusters, shifting electrons toward higher energy states near the Fermi level, which potentially destabilizes Nb–H interactions and accelerates hydrogen diffusion into the Mg matrix. This work elucidates, for the first time at the atomic scale, the cooperative catalytic mechanism of single‐atom/cluster composites on MgH 2 , providing guidance for the design of efficient hydrogen‐spillover catalysts.

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