费慧龙/叶龚兰/董俊才AM: 单原子Co-N-C位点排列多孔碳膜用于高电流密度HER

金属-氮掺杂的碳(M-N-C)材料作为一类独特的单原子催化剂(SACs)，可以替代Pt用于电催化析氢反应(HER)。然而，将其用于高电流密度下HER仍然是一个巨大的挑战。

湖南大学费慧龙、叶龚兰和中国科学院董俊才等报道了一种具有单原子Co-N-C位点排列的多孔碳膜，其能够在高电流密度下高效稳定电催化HER。

多孔碳膜中Co-N-C位点具有接近零起始电位的高内在活性和小的电荷转移电阻，原子级 CoN_x位点提供高本征活性以增强HER动力学。而具有垂直排列微通道的碳骨架的多尺度孔隙率在高产率和超厚电极的条件下提供了更快的传质。

此外，超亲水性使薄膜在浸入水溶液时能够被电解质自发润湿，而超疏气性使薄膜对气泡的附着力低，有利于快速、自发地去除小尺寸的H₂气泡。

综上，在500 mA cm^-2和1000 mA cm^-2的高电流密度下，Co-NC-AF作为HER电极在0.5 M H₂SO₄中的过电位分别为272 mV和343 mV，并且可以在1000 mA cm^-2的高电流密度和静态条件下(没有强制对流)连续运行至少32小时。

该项工作中提出的合成方法和设计原理可以推动基于多孔膜的M-N-C催化剂在重要的涉及气体的电催化过程中的探索，并向 SAC的实际应用迈出了重要的一步。

Design of aligned porous carbon films with single-atom Co-N-C sites for high-current-density hydrogen generation. Advanced Materials, 2021. DOI: 10.1002/adma.202103533

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