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Tailoring Mesopores on Ultrathin Hollow Carbon Nanoarchitecture with N2O2 Coordinated Ni Single-Atom Catalysts for Hydrogen Evolution

过电位 化学 催化作用 介孔材料 吸附 纳米技术 化学物理 化学工程 物理化学 材料科学 有机化学 工程类 电极 电化学
作者
Donggyun Kim,Ko-Eun Ryou,Godeung Park,Seonghyeon Jung,Jinhyeon Park,Minjun Kim,Ji Eun Jang,Myeongjun Song,Semi Kim,Juyeong Kim,Hyunsoo Lim,Yusuke Yamauchi,Xueyan Feng,Seong‐Min Bak,Jeonghun Kim
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (19): 16522-16535
标识
DOI:10.1021/jacs.5c03118
摘要

Single-atom catalysts (SACs) offer exceptional atomic utilization and catalytic efficiency, particularly in the hydrogen evolution reaction (HER), where effective mass transport and electronic structure control are critical. However, many SACs suffer from suboptimal hydrogen adsorption energies and limited synergy with the support matrix, which restrict their intrinsic activity and durability. Overcoming these limitations requires an integrated strategy that simultaneously optimizes both the atomic coordination environment and the support architecture. Here, we present a dual-template strategy for synthesizing ultrathin mesoporous hollow carbon (MHC) with tunable mesopores, which enhances ion transport and structural accessibility. Ni single atoms are stabilized within the MHC framework via a tailored N2O2 coordination environment, which fine-tunes the electronic structure of Ni and facilitates efficient hydrogen adsorption and HER kinetics. This coordination environment and the hierarchical porous framework collectively enhance HER activity, significantly reducing the overpotential to 68 mV at 10 mA cm-2 and resulting in remarkable mass activity (5 A mgNi-1 at 50 mV) and enhanced durability over 5000 cycles. Spectroscopic analyses and density functional theory calculations reveal that the N2O2 coordination fine-tunes the electronic structure of Ni, promoting efficient hydrogen adsorption and evolution. These findings highlight the synergistic effects of atomic-level Ni dispersion and tailored support, offering a robust strategy for fabricating single-atom electrocatalysts for sustainable hydrogen production.
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