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

通訊作者：段鑲鋒、黃昱、William A. Goddard III

通訊單位：美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校，美國(guó)加州理工學(xué)院

段鑲鋒，MRS全美杰出研究生獎(jiǎng)、全美發(fā)明家競(jìng)賽大獎(jiǎng)，美國(guó)“青年科學(xué)家總統(tǒng)獎(jiǎng)”等獲得者，是美國(guó)Nanosys高科技公司聯(lián)合創(chuàng)始人之一。2003年被美國(guó)Technology Review評(píng)為年度世界百位杰出青年發(fā)明家之一；2011年入選湯森路透集團(tuán)發(fā)布的2000-2010年全球頂尖100化學(xué)家名人堂榜單和全球頂尖100材料學(xué)家名人堂榜單。

研究方向?yàn)椋杭{米材料的合成、組裝和表征；先進(jìn)電子和光子材料與器件；能源利用、轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)；生物醫(yī)學(xué)傳感與治療等?。

黃昱，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校教授，博士生導(dǎo)師。美國(guó)青年科學(xué)家總統(tǒng)獎(jiǎng)、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)特別創(chuàng)意獎(jiǎng)、美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院創(chuàng)新獎(jiǎng)等獲得者，主要從事納米材料研究，利用生物分子識(shí)別材料能力控制材料形態(tài)與合成。

論文速覽

析氫反應(yīng)（HER）對(duì)于基礎(chǔ)電化學(xué)研究和綠色氫氣生產(chǎn)具有重要意義。鉑（Pt）因其最佳的氫結(jié)合能而被視為最有效的HER催化劑。然而，確定Pt表面的主導(dǎo)活性位點(diǎn)及其在HER中的作用對(duì)于合理設(shè)計(jì)催化劑至關(guān)重要，但一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。

本研究結(jié)合了電輸運(yùn)光譜（ETS）和反應(yīng)力場(chǎng)（ReaxFF）計(jì)算，分析了氫氣在鉑納米線上的吸附行為，并發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)不同的峰值：一個(gè)在0.20 ^VRHE對(duì)應(yīng)于(111)和(100)晶面，另一個(gè)在0.038 ^VRHE對(duì)應(yīng)于邊緣位點(diǎn)。同時(shí)進(jìn)行的ETS和循環(huán)伏安法表明，邊緣位點(diǎn)的吸附與HER的起始點(diǎn)相吻合，表明邊緣位點(diǎn)的關(guān)鍵作用。ReaxFF分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算證實(shí)了邊緣位點(diǎn)的HER活化勢(shì)壘較低，轉(zhuǎn)化頻率比(111)或(100)晶面高兩個(gè)到四個(gè)數(shù)量級(jí)。在堿性介質(zhì)中的ETS顯示，邊緣位點(diǎn)上的氫氣吸附受到顯著抑制，導(dǎo)致HER動(dòng)力學(xué)更加緩慢。這些發(fā)現(xiàn)闡明了Pt表面上不同位點(diǎn)的作用，為HER催化劑設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵見解。

圖文導(dǎo)讀

圖1：電輸運(yùn)譜（ETS）實(shí)驗(yàn)設(shè)置。

圖2：PtNWs在不同電位下的原位CV和電導(dǎo)變化，以及導(dǎo)數(shù)電導(dǎo)變化與CV曲線的比較。

圖3：不同電位和氫氣覆蓋率下，兩個(gè)相鄰Pt(111)和Pt(100)表面以及PtNW的橫截面的界面結(jié)構(gòu)。

圖4：PtNWs上不同位點(diǎn)的氫氣原子數(shù)量隨電位變化的曲線。

圖5：七種可能的塔菲爾反應(yīng)途徑的預(yù)測(cè)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

圖6：pH 1和pH 13的電解質(zhì)中的HER動(dòng)力學(xué)比較。

總結(jié)展望

本研究通過結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，明確了在鉑納米催化劑上，邊緣位點(diǎn)相較于(111)和(100)晶面在析氫反應(yīng)中的主導(dǎo)作用。實(shí)驗(yàn)觀察到的兩個(gè)氫氣吸附峰值，以及ReaxFF計(jì)算所證實(shí)的較低活化勢(shì)壘和高轉(zhuǎn)化頻率，均指向邊緣位點(diǎn)在HER中的關(guān)鍵性。特別是在堿性介質(zhì)中，邊緣位點(diǎn)的氫氣吸附受到抑制，這解釋了堿性條件下HER動(dòng)力學(xué)的緩慢。

這些發(fā)現(xiàn)不僅為理解Pt表面上HER動(dòng)力學(xué)提供了新的視角，也為設(shè)計(jì)更高效的電催化劑提供了重要的指導(dǎo)。未來的研究可以進(jìn)一步探索如何通過調(diào)控催化劑的尺寸、形狀和晶面來優(yōu)化邊緣位點(diǎn)的數(shù)量和活性，從而實(shí)現(xiàn)HER性能的顯著提升。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Edge sites dominate the hydrogen evolution reaction on platinum nanocatalysts

期刊：Nature Catalysis

DOI：10.1038/s41929-024-01156-x