Stable Tensile-Strained Pt Single Atomic Layer Catalysts on α-MoC for Efficient Alkaline Hydrogen Evolution

过电位 催化作用 材料科学 图层(电子) 铂金 化学工程 密度泛函理论 解吸 吸附 原子层沉积 纳米技术 电化学 化学 物理化学 计算化学 有机化学 电极 工程类 生物化学
作者
Yaohui Zhao,Jiapeng Huang,Ke Zhang,Yanan Li,Zi‐Xin Ge,Yangzi Zheng,Shangdong Ji,Jinshan Lu,Yuan Ren,Chao Wu,Mingshang Jin
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (27): 25273-25283 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c05972
摘要

Developing Pt-based core-shell catalysts with ultralow Pt loading, superior performance, and extended durability holds tremendous potential for advancing electrochemical energy storage and conversion technologies. However, current synthetic limitations persist in achieving atomically efficient Pt monolayer deposition on nonprecious metal substrates, hindering the maximization of Pt atomic utilization for cost-effective catalyst design. Here, we demonstrate a galvanic replacement strategy to synthesize tensile-strained platinum single-atom-layer (Pt SAL) on α-MoC substrates. The Pt SAL catalysts enable cooperative catalysis between adjacent Pt sites while maintaining nearly 100% atomic utilization efficiency. For alkaline hydrogen evolution, the Pt SAL/α-MoC catalyst exhibits optimized reaction energetics, reducing activation barriers for water dissociation, hydrogen adsorption, and H2 desorption compared to typical Pt/C. As a result, the Pt SAL catalysts exhibit superior hydrogen evolution reaction (HER) performance, with a mass activity of 1.71 A mgPt-1 at an overpotential of 50 mV, surpassing commercial Pt/C by 6.35-fold and single-atom catalysts by 7.68-fold. Remarkably, the Pt SAL catalysts reveal negligible activity decay after 10,000 cycles, with density functional theory (DFT) calculations attributing this stability to strong Pt-Mo interfacial bonding. In situ Raman spectroscopic studies reveal dynamic interfacial water restructuring that accelerates reaction kinetics. This work establishes a versatile synthesis approach for noble metal SAL catalysts and explores their role in designing high-performance electrocatalysts for heterogeneous catalysis.
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