與化石燃料相比，氫具有能量密度高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。電化學(xué)分解水被認(rèn)為是一種非常有前途和容易實(shí)現(xiàn)的制取清潔氫能的方法，但是緩慢的析氫反應(yīng)(HER)過(guò)程阻礙了其進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)高效的電催化劑來(lái)加速這一過(guò)程是提高能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。

Pt基材料具有較高的催化活性和穩(wěn)定性，是目前最先進(jìn)的析氫催化劑，但Pt的稀缺性和高成本阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)可替代Pt的催化劑以減少貴金屬的使用、提高原子的利用效率，以及降低水解離的能壘至關(guān)重要。

近日，天津大學(xué)胡文彬、韓曉鵬和新加坡國(guó)立大學(xué)陳偉等通過(guò)在超薄氧化鎳納米片上負(fù)載鉑單原子(SAs)(PtSA-NiO)誘導(dǎo)的自門(mén)效應(yīng)，開(kāi)發(fā)了一種高效的析氫反應(yīng)(HER)電催化劑。具體而言，Pt SA的引入可以誘導(dǎo)p型NiO向n型PtSA-NiO轉(zhuǎn)變。

對(duì)于p型NiO，由于費(fèi)米能級(jí)低，能帶向下彎曲；該n型陰極在析氫過(guò)程中發(fā)生了自門(mén)現(xiàn)象，產(chǎn)生了漏電(“活性”)和金屬-絕緣體-半導(dǎo)體(“惰性”)區(qū)域的混合物。離子門(mén)和反向電位誘導(dǎo)的“惰性”區(qū)域能夠在超高電場(chǎng)下積累相對(duì)較高的表面電荷濃度，使PtSA-NiO具有高導(dǎo)電性；同時(shí)，在PtSA-NiO納米片上的Pt SA位點(diǎn)(活性區(qū)域)發(fā)生HER反應(yīng)。

因此，所制備的PtSA-NiO催化劑在1.0 M KOH溶液中達(dá)到10 mA cm?2電流密度僅需55 mV的過(guò)電位，Tafel斜率為36 mV dec?1。此外，PtSA-NiO在10 mA cm?2電流密度下連續(xù)運(yùn)行25個(gè)小時(shí)而沒(méi)有發(fā)生明顯的活性衰減，并且其在穩(wěn)定性測(cè)試后仍保留良好的相結(jié)構(gòu)，表明PtSA-NiO具有優(yōu)異的反應(yīng)穩(wěn)定性。

總的來(lái)說(shuō)，該項(xiàng)工作證明了構(gòu)建特定活性中心和調(diào)控電子結(jié)構(gòu)對(duì)提高單原子催化劑活性具有重要意義，這為設(shè)計(jì)高活性的單原子HER催化劑提供了思路。

Single-Atom Pt Doping Induced p-Type to n-Type Transition in NiO Nanosheets toward Self-Gating Modulated Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction. ACS Nano, 2023. DOI: 10.1021/acsnano.3c06595