北京大学郭少军等JACS：Pt-AC/Cr-N-C助力实际碱性HER

在导电载体上分散Pt原子团簇（ACs）是一种很有前途的方法，可以最大限度地减少析氢反应（HER）中所需的Pt量，但是Pt ACs的催化质量活性和耐久性仍需提高，并且在稳定它们防止团聚和脱离方面也存在挑战。

基于此，北京大学郭少军教授等人报道了一种具有高亲氧性的单原子Cr-N₄位点和Pt-Acs的催化剂（Pt-AC/Cr-N-C），用于在阴离子交换膜水电解槽（AEMWE）中实现高活性和稳定的碱性HER。该催化剂具有最高的Pt质量活性（比商用Pt/C高37.6倍）和优异的操作稳定性。使用该催化剂的AEMWE（仅为50 μg_Pt cm^-2）在1.8 V电流密度为500 mA cm^-2的工业级电流下稳定工作100 h，降解速率仅为90 μV h^-1。

通过DFT计算，作者揭示了Pt-AC/Cr-N-C催化剂用于HER催化的结构稳定性增强的原因。采用固定在Cr-N-C基底中单个Cr-N₄位点上的Pt₆簇组成的板状模式，以模拟Pt-AC/Cr-N-C的原子结构。

需注意，作者还建立了一个紧挨着Pt₆簇的额外Cr-N₄位点，以模拟Pt L₃-edge EXAFS光谱中鉴定的第二壳Pt-Cr配位。经DFT优化后，Pt₁-Cr₁和Pt₂-Cr₂的原子间距分别为2.25和3.86 Å。电荷密度差分布表明，Cr₁原子与其相邻的Pt₁原子之间存在明显的电荷积累，表明在团簇-基底界面形成了Pt₁-Cr₁准共价键，有助于稳定Cr-N-C上的Pt₆团簇。

在团簇-基底界面上还观察到额外的Pt-C键，以稳定Pt₆团簇。Pt₁-Cr₁相互作用在费米能级以下的贡献显著，导致Pt₁-Cr₁键具有准共价性质。

在Cr-N-C基底中，Pt₁-Cr₁键的键距为0.82，是Pt₂-C键的键距的2.3倍，甚至超过了Cr-N键的键距，表明Pt₁-Cr₁在稳定Pt ACs中的键强度明显高于Pt-C。作者还发现在团簇-基底界面形成的Pt₁-Cr₁准共价键主要源于Pt 5d和Cr 3d轨道的贡献，其中Pt 5d带与狭窄的Cr 3d带杂化形成成键和反键状态。

Single-Atom Cr-N₄ Sites with High Oxophilicity Interfaced with Pt Atomic Clusters for Practical Alkaline Hydrogen Evolution Catalysis. J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c06863.

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北京大学郭少军等JACS：Pt-AC/Cr-N-C助力实际碱性HER

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