Constructing Hydrogen Migration Channel from Atomic Clusters to Single Atom for Superior Electrocatalytic Hydrogen Evolution with Ultralow Pt Loading

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作者
Zexing He,Xiaokang Liu,Minghui Zhang,Yajun Wang,Zhen‐Feng Huang,Chengxiang Shi,Ruijie Gao,Lun Pan,Chong Peng,Wanliang Mi,XiangWen Zhang,Jinlong Gong,Ji‐Jun Zou
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:65 (7): e23933-e23933 被引量:1
标识
DOI:10.1002/anie.202523933
摘要

Abstract Developing highly active and durable cathode catalysts using minimal use of noble metal remains a grand challenge for proton exchange membrane water electrolyzer. Herein we design a Pt‐based sub‐nanometric catalysts featuring coexisting single atoms and atomic clusters anchored on sulfur‐doped carbon. This dual‐active‐site architecture enables independent optimization of active hydrogen (H*) formation and subsequent recombination kinetics, thus breaking the limitation of Sabatier principle. Specially, by introducing a secondary transition metal such as Mn, the interfacial charge distribution and work function of Pt clusters is regulated, promoting both H* formation and migration. Meanwhile, the neighboring electron‐deficient Pt single atoms facilitate H* recombination kinetics. The catalyst with 3.6 wt% Pt loading achieves a recorded mass activity of 14.48 A mg −1 at 15 mV, exceeding commercial 40wt% Pt/C by 41‐fold. When integrated into an electrolyzer, the catalyst demonstrates exceptional activity and stability with only 10% Pt loading relative to commercial benchmark, representing a critical advancement toward practical green hydrogen production. Also, the direct evidences of H* formation, migration and recombination process are confirmed by operando experiments and theoretical calculations for the first time, which offers new concept for decoupling of HER reaction and rational design of catalysts.
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