Boosted hydrogen evolution kinetics of heteroatom-doped carbons with isolated Zn as an accelerant

塔菲尔方程 杂原子 电催化剂 催化作用 碳纤维 电化学 化学 硫黄 纳米技术 无机化学 材料科学 物理化学 电极 有机化学 复合材料 复合数 戒指(化学)
作者
Yang Li,Shouwei Zuo,Fen Wei,Cailing Chen,Guikai Zhang,Zhao Xiaojuan,Zhi‐Peng Wu,Sibo Wang,Wei Zhou,Magnus Rueping,Yu Han,Huabin Zhang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:121 (5) 被引量:12
标识
DOI:10.1073/pnas.2315362121
摘要

Carbon-based single-atom catalysts, a promising candidate in electrocatalysis, offer insights into electron-donating effects of metal center on adjacent atoms. Herein, we present a practical strategy to rationally design a model catalyst with a single zinc (Zn) atom coordinated with nitrogen and sulfur atoms in a multilevel carbon matrix. The Zn site exhibits an atomic interface configuration of ZnN 4 S 1 , where Zn's electron injection effect enables thermal-neutral hydrogen adsorption on neighboring atoms, pushing the activity boundaries of carbon electrocatalysts toward electrochemical hydrogen evolution to an unprecedented level. Experimental and theoretical analyses confirm the low-barrier Volmer–Tafel mechanism of proton reduction, while the multishell hollow structures facilitate the hydrogen evolution even at high current intensities. This work provides insights for understanding the actual active species during hydrogen evolution reaction and paves the way for designing high-performance electrocatalysts.

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