Synergies of Adjacent Sites in Atomically Dispersed Ruthenium toward Achieving Stable Hydrogen Evolution

化学 光催化 离子键合 催化作用 氢键 金属 纳米技术 氮化物 扩散 化学物理 化学工程 分子 离子 材料科学 有机化学 物理 图层(电子) 工程类 热力学
作者
Chunmei Li,Nan Su,Huihui Wu,Chunbo Liu,Guangbo Che,Hongjun Dong
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:61 (34): 13453-13461 被引量:119
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.2c01908
摘要

It is a challenge to fabricate atomically dispersed metal clusters in polymeric carbon nitride (PCN) for durable photocatalytic reactions owing to the thermodynamic stability limitation. Herein, atomically dispersed Ru clusters are implanted into the PCN skeleton matrix based on an ionic diffusion and coordination (IDC) strategy, the stability of which is improved owing to the robust Ru-N bonds in the formed RuN4 and RuN3 configurations. Additionally, RuN4 and RuN3 as charge transport bridges between two adjacent melon strands efficaciously conquer hydrogen bond restriction in the skeleton to facilitate the in-plane mobility and separation of charge carriers. Moreover, the synergistic effect of adjacent Ru atoms is triggered on the assembled RuN3-RuN4 and RuN3-RuN3 in the atomically dispersed Ru clusters to significantly decrease hydrogen adsorption energy. As a result, the optimal PCN-Ru photocatalyst achieves nearly 6 times higher than the photocatalytic hydrogen evolution (PHE) rate of the Pt/PCN benchmark and maintains the long-term stable running for 104 h of 26 cycles; its overall PHE performance is far superior to the most of single atoms supported on g-C3N4 photocatalysts reported. The findings here gain new insight into the preparation strategy, structure configuration, and reaction mechanism for atomically dispersed metal clusters supported on PCN, which further stimulates the intensive investigations toward developing more efficient and stable PCN-like photocatalytic materials.
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