Efficient and Robust Hydrogen Evolution: Phosphorus Nitride Imide Nanotubes as Supports for Anchoring Single Ruthenium Sites

过电位 塔菲尔方程 密度泛函理论 催化作用 材料科学 化学 物理化学 计算化学 电化学 有机化学 电极
作者
Jian Yang,Bingxu Chen,Xiaokang Liu,Wei Liu,Zhijun Li,Juncai Dong,Wenxing Chen,Wensheng Yan,Takeshi Yao,Xuezhi Duan,Yuen Wu,Yadong Li
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:57 (30): 9495-9500 被引量:187
标识
DOI:10.1002/anie.201804854
摘要

Amorphous phosphorus nitride imide nanotubes (HPN) are reported as a novel substrate to stabilize materials containing single-metal sites. Abundant dangling unsaturated P vacancies play a role in stabilization. Ruthenium single atoms (SAs) are successfully anchored by strong coordination interactions between the d orbitals of Ru and the lone pair electrons of N located in the HPN matrix. The atomic dispersion of Ru atoms can be distinguished by X-ray absorption fine structure measurements and spherical aberration correction electron microscopy. Importantly, Ru SAs@PN is an excellent electrocatalyst for the hydrogen evolution reaction (HER) in 0.5 m H2 SO4 , delivering a low overpotential of 24 mV at 10 mA cm-2 and a Tafel slope of 38 mV dec-1 . The catalyst exhibits robust stability in a constant current test at a large current density of 162 mA cm-2 for more than 24 hours, and is operative for 5000 cycles in a cyclic voltammetry test. Additionally, Ru SAs@PN presents a turnover frequency (TOF) of 1.67 H2 s-1 at 25 mV, and 4.29 H2 s-1 at 50 mV, in 0.5 m H2 SO4 solution, outperforming most of the reported hydrogen evolution catalysts. Density functional theory (DFT) calculations further demonstrate that the Gibbs free energy of adsorbed H* over the Ru SAs on PN is much closer to zero compared with the Ru/C and Ru SAs supported on carbon and C3 N4 , thus considerably facilitating the overall HER performance.
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