Adaptive Strong Metal-Support Interactions Enabled by Pyridinic Nitrogen Regulate Hydrogen Kinetics on Ruthenium for pH-Universal Hydrogen Evolution

过电位 催化作用 化学 吸附 无机化学 纳米结构 动力学 化学工程 活化能 电极 选择性 营业额 海水 电催化剂 氮气 材料科学 电化学 化学物理 光化学 结合能 可逆氢电极
作者
Songlin Zhao,Wei Che,Changqing Li,Chengcai Wang,Zhihong Zhu,Youan Ji,Xiaofei Cao,Zhong Chen,Aibing Chen,Jong‐Beom Baek
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acscatal.6c01378
摘要

High Resolution Image Download MS PowerPoint Slide Ruthenium (Ru)-based catalysts exhibit high efficiency for the hydrogen evolution reaction (HER), and interactions between Ru and carbon-based substrates can be used to optimize adsorption behavior. However, precisely engineering strong metal-support interactions (SMSIs) remains a significant challenge. Herein, we report a pyridinic-nitrogen (N Py )-mediated strategy to regulate the SMSI between N Py and Ru nanocrystals, thereby significantly enhancing their catalytic performance for the HER under alkaline, acidic, and seawater conditions. At an overpotential of 100 mV, the optimized Ru@N Py −C achieved a turnover frequency (TOF) of 13.6 s −1 in 1.0 M KOH and 7.2 s −1 in 0.5 M H 2 SO 4, corresponding to enhancements of approximately 13-fold and 1.8-fold compared with Pt/C (1.0 and 4.1 s −1 ), respectively. Structural characterizations and theoretical results show that the N Py −C induces optimization of the Ru nanostructure and electronic energy levels, resulting in a slight downward shift of the d -band center of Ru and thereby tuning the Ru−H binding strength toward a more favorable range. Benefiting from the SMSI, the electrode reached 400 mA cm −2 at 191 mV in alkaline seawater and maintained continuous operation for 300 h in neutral seawater.
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