Atomic-scale self-rearrangement of hetero-metastable phases into high-density single-atom catalysts for the oxygen evolution reaction

亚稳态 催化作用 原子单位 Atom(片上系统) 化学物理 氧原子 化学 材料科学 光化学 结晶学 物理 分子 有机化学 计算机科学 量子力学 嵌入式系统
作者
Quan Quan,Yuxuan Zhang,Haifan Li,Wei Wang,Pengshan Xie,Dong Chen,Weijun Wang,You Meng,Di Yin,Yezhan Li,Dongyuan Song,L Chen,Shao‐Hai Li,Cheng Yang,Takeshi Yanagida,Chun‐Yuen Wong,SenPo Yip,Johnny C. Ho
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1) 被引量:10
标识
DOI:10.1038/s41467-025-58163-0
摘要

Maximizing metal-substrate interactions by self-reconstruction of coadjutant metastable phases can be a delicate strategy to obtain robust and efficient high-density single-atom catalysts. Here, we prepare high-density iridium atoms embedded ultrathin CoCeOOH nanosheets (CoCe-O-IrSA) by the electrochemistry-initiated synchronous evolution between metastable iridium intermediates and symmetry-breaking CoCe(OH)2 substrates. The CoCe-O-IrSA delivers an overpotential of 187 mV at 100 mA cm−2 and a steady lifespan of 1000 h at 500 mA cm−2 for oxygen evolution reaction. Furthermore, the CoCe-O-IrSA is applied as a robust anode in an anion-exchange-membrane water electrolysis cell for seawater splitting at 500 mA cm−2 for 150 h. Operando experimental and theoretical calculation results demonstrate that the reconstructed thermodynamically stable iridium single atoms act as highly active sites by regulating charge redistribution with strongly p-d-f orbital couplings, enabling electron transfer facilitated, the adsorption energies of intermediates optimized, and the surface reactivity of Co/Ce sites activated, leading to high oxygen evolution performance. These results open up an approach for engineering metastable phases to realize stable single-atom systems under ambient conditions toward efficient energy-conversion applications. Maximizing metal-substrate interactions through self-reconstruction is a key strategy for efficient oxygen evolution catalysts. Here, the authors report high-density iridium atoms embedded in ultrathin oxyhydroxide nanosheets, showing high performance in the oxygen evolution reaction.
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