A universal and scalable transformation of bulk metals into single-atom catalysts in ionic liquids

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作者
Shujuan Wang,Ming‐Hui Lu,Xuewen Xia,Fei Wang,Xiaolu Xiong,Kai Ding,Zhongya Pang,Guangshi Li,Qian Xu,Hsien‐Yi Hsu,Hujun Shen,Ji Li,Yufeng Zhao,Jing Wang,Xingli Zou,Xionggang Lu
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:121 (10)
标识
DOI:10.1073/pnas.2319136121
摘要

Single-atom catalysts (SACs) with maximized metal atom utilization and intriguing properties are of utmost importance for energy conversion and catalysis science. However, the lack of a straightforward and scalable synthesis strategy of SACs on diverse support materials remains the bottleneck for their large-scale industrial applications. Herein, we report a general approach to directly transform bulk metals into single atoms through the precise control of the electrodissolution-electrodeposition kinetics in ionic liquids and demonstrate the successful applicability of up to twenty different monometallic SACs and one multimetallic SAC with five distinct elements. As a case study, the atomically dispersed Pt was electrodeposited onto Ni3N/Ni-Co-graphene oxide heterostructures in varied scales (up to 5 cm × 5 cm) as bifunctional catalysts with the electronic metal-support interaction, which exhibits low overpotentials at 10 mA cm-2 for hydrogen evolution reaction (HER, 30 mV) and oxygen evolution reaction (OER, 263 mV) with a relatively low Pt loading (0.98 wt%). This work provides a simple and practical route for large-scale synthesis of various SACs with favorable catalytic properties on diversified supports using alternative ionic liquids and inspires the methodology on precise synthesis of multimetallic single-atom materials with tunable compositions.
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