彭生杰课题组Angew：载体结晶度调制单原子微环境，实现工业级电流密度HER

具有低腐蚀性和高电流密度等优点的阴离子交换膜(AEM)电解槽最近受到了广泛的关注。然而，在高电流密度下，析氢反应(HER)催化剂的高成本和稳定性较差的问题限制了AEM电解槽的实际应用。具有高原子利用率的单原子催化剂(SACs)被认为是减少贵金属使用和保持稳定催化活性的理想的候选者。

值得注意的是，在HER过程中，SACs表面金属原子与反应中间体表现出非共价的相互作用，导致各种离子的分布不均匀，形成有利于HER的局部酸性环境，表明SACs活性位点周围的局部微环境与HER反应活性密切相关。因此，通过改善金属活性中心的理化性质，可以操纵SACs的局部反应环境，这为优化微环境以提高催化活性提供了可行性。然而，揭示单原子位点与界面微环境之间的相互作用仍然具有挑战性。

近日，南京航空航天大学彭生杰课题组通过调节Ru SACs载体的结晶度来优化界面微环境，显著提升了碱性HER性能。为了探索调制机理，研究人员将Ru单原子分别固定在低结晶度(Ru-LC-Ni(OH)₂)和高结晶度(Ru-HC-Ni(OH)₂)的Ni(OH)₂上。Ru-LC-Ni(OH)₂的无序原子排列有助于离子快速扩散和电荷输运，为单原子位点创造了理想的电子结构；同时，随机取向的金属悬空键和不饱和配位使Ru-LC-Ni(OH)₂具有较强的水解离能力，并在催化剂表面形成大量的H₃O⁺。

这种独特的金属-载体相互作用抑制了单个原子的电子损失，促进了H₃O⁺在Ru位点周围的聚集，从而产生了一个类似酸性的微环境，缓解了催化过程对pH的依赖。相反，Ru-HC-Ni(OH)₂的水解离活性有限，导致单原子位点中毒，减慢了HER反应速率。

因此，在1.0 M KOH溶液中，Ru-LC-Ni(OH)₂催化剂达到10和1000 mA cm⁻²电流密度所需的HER过电位分别仅为9和136 mV。同时，该催化剂可分别在10、500和1000 mA cm⁻²电流密度下连续运行500、300和50小时；此外，Ru-LC-Ni(OH)₂催化剂在3000次循环后的性能衰减可以忽略不计。

更重要的是，在碱性海水电解质中，利用Ru-LC-Ni(OH)₂催化剂组装的AEM电解槽能够在500 mA cm⁻²下稳定运行500小时，显示出良好的实际应用潜力。总的来说，该项研究强调了通过载体结晶度来调节SACs微环境的可行性，为合理设计高性能催化材料提供了思路。

Manipulating the microenvironment of single atoms by switching support crystallinity for industrial hydrogen evolution. Angewandte Chemie International Edition, 2023. DOI: 10.1002/anie.202317220