Blocking Metal Nanocluster Growth through Ligand Coordination and Subsequent Polymerization: The Case of Ruthenium Nanoclusters as Robust Hydrogen Evolution Electrocatalysts

纳米团簇 材料科学 化学工程 金属 无机化学 纳米技术 化学 催化作用 有机化学 工程类 冶金
作者
Xiaohong Wang,Dongxu Li,Juguo Dai,Qian Xue,Chunying Yang,Long Xia,Xueqiang Qi,Bingtao Bao,Siyu Yang,Yiting Xu,Conghui Yuan,Weiang Luo,Andreu Cabot,Lizong Dai
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:20 (22) 被引量:7
标识
DOI:10.1002/smll.202309176
摘要

Abstract Metal nanoclusters providing maximized atomic surface exposure offer outstanding hydrogen evolution activities but their stability is compromised as they are prone to grow and agglomerate. Herein, a possibility of blocking metal ion diffusion at the core of cluster growth and aggregation to produce highly active Ru nanoclusters supported on an N, S co‐doped carbon matrix (Ru/NSC) is demonstrated. To stabilize the nanocluster dispersion, Ru species are initially coordinated through multiple Ru─N bonds with N‐rich 4 ′ ‐(4‐aminophenyl)‐2,2:6 ′ ,2 ′′ ‐terpyridine (TPY‐NH 2 ) ligands that are subsequently polymerized using a Schiff base. After the pyrolysis of the hybrid composite, highly dispersed ultrafine Ru nanoclusters with an average size of 1.55 nm are obtained. The optimized Ru/NSC displays minimal overpotentials and high turnover frequencies, as well as robust durability both in alkaline and acidic electrolytes. Besides, outstanding mass activities of 3.85 A mg −1 Ru at 50 mV, i.e., 16 fold higher than 20 wt.% Pt/C are reached. Density functional theory calculations rationalize the outstanding performance by revealing that the low d‐band center of Ru/NSC allows the desorption of *H intermediates, thereby enhancing the alkaline HER activity. Overall, this work provides a feasible approach to engineering cost‐effective and robust electrocatalysts based on carbon‐supported transition metal nanoclusters for future energy technologies.
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