神仙眷侣！段镶锋&黄昱夫妇携手，最新Nature Catalysis！

第一作者：Zhihong Huang, Tao Cheng, Aamir Hassan Shah

通讯作者：段镶锋、黄昱、William A. Goddard III

通讯单位：美国加州大学洛杉矶分校，美国加州理工学院

段镶锋，MRS全美杰出研究生奖、全美发明家竞赛大奖，美国“青年科学家总统奖”等获得者，是美国Nanosys高科技公司联合创始人之一。2003年被美国Technology Review评为年度世界百位杰出青年发明家之一；2011年入选汤森路透集团发布的2000-2010年全球顶尖100化学家名人堂榜单和全球顶尖100材料学家名人堂榜单。

研究方向为：纳米材料的合成、组装和表征；先进电子和光子材料与器件；能源利用、转化与存储；生物医学传感与治疗等 。

黄昱，美国加州大学洛杉矶分校教授，博士生导师。美国青年科学家总统奖、美国国家科学基金会特别创意奖、美国国立卫生研究院创新奖等获得者，主要从事纳米材料研究，利用生物分子识别材料能力控制材料形态与合成。

论文速览

析氢反应（HER）对于基础电化学研究和绿色氢气生产具有重要意义。铂（Pt）因其最佳的氢结合能而被视为最有效的HER催化剂。然而，确定Pt表面的主导活性位点及其在HER中的作用对于合理设计催化剂至关重要，但一直是一个挑战。

本研究结合了电输运光谱（ETS）和反应力场（ReaxFF）计算，分析了氢气在铂纳米线上的吸附行为，并发现了两个不同的峰值：一个在0.20 ^VRHE对应于(111)和(100)晶面，另一个在0.038 ^VRHE对应于边缘位点。同时进行的ETS和循环伏安法表明，边缘位点的吸附与HER的起始点相吻合，表明边缘位点的关键作用。ReaxFF分子动力学计算证实了边缘位点的HER活化势垒较低，转化频率比(111)或(100)晶面高两个到四个数量级。在碱性介质中的ETS显示，边缘位点上的氢气吸附受到显著抑制，导致HER动力学更加缓慢。这些发现阐明了Pt表面上不同位点的作用，为HER催化剂设计提供了关键见解。

图文导读

图1：电输运谱（ETS）实验设置。

图2：PtNWs在不同电位下的原位CV和电导变化，以及导数电导变化与CV曲线的比较。

图3：不同电位和氢气覆盖率下，两个相邻Pt(111)和Pt(100)表面以及PtNW的横截面的界面结构。

图4：PtNWs上不同位点的氢气原子数量随电位变化的曲线。

图5：七种可能的塔菲尔反应途径的预测反应动力学。

图6：pH 1和pH 13的电解质中的HER动力学比较。

总结展望

本研究通过结合实验和理论计算，明确了在铂纳米催化剂上，边缘位点相较于(111)和(100)晶面在析氢反应中的主导作用。实验观察到的两个氢气吸附峰值，以及ReaxFF计算所证实的较低活化势垒和高转化频率，均指向边缘位点在HER中的关键性。特别是在碱性介质中，边缘位点的氢气吸附受到抑制，这解释了碱性条件下HER动力学的缓慢。

这些发现不仅为理解Pt表面上HER动力学提供了新的视角，也为设计更高效的电催化剂提供了重要的指导。未来的研究可以进一步探索如何通过调控催化剂的尺寸、形状和晶面来优化边缘位点的数量和活性，从而实现HER性能的显著提升。

文献信息

标题：Edge sites dominate the hydrogen evolution reaction on platinum nanocatalysts

期刊：Nature Catalysis

DOI：10.1038/s41929-024-01156-x