NUS陈伟/南京大学夏兴华团队Nat Commun：单原子电催化析氢研究新进展

单原子催化剂已经正式发展近十年，其工作重点也慢慢从最初的制备/表征拓展至机理性研究。目前，金属单原子在催化反应中的作用和反应机理尚且还在初步探索阶段。构建合理的催化反应构-效关系对设计高性能单原子催化剂至关重要。金属-载体电子相互作用（EMSI）提供了一种通过金属和载体之间的电子转移调节负载金属电子态的直接方法。相关富/缺电子状态将影响整个催化反应中间吸附物种的化学吸附和活化能，从而影响催化性能。

近日，新加坡国立大学（NUS）陈伟教授、施毅博士和南京大学夏兴华教授等人提出通过EMSI对单原子Pt催化剂的电子结构进行调控，构建酸性和碱性氢气析出反应（HER）构-效关系。采用先前报道的特异性位点欠电位沉积法（Nat. Commun., 2020, 11, 4558），制备出二维材料过渡金属硫/硒化物（MoS₂、WS₂、MoSe₂和WSe₂）负载的单原子Pt催化剂（图1b）。载体上的中心锚定硫族原子（S和Se）和周围过渡金属原子（W和Mo）通过EMSI共同调控单原子Pt电子结构，进而影响其HER电催化过程中间物种的吸附能和催化活性（图1a）。HAADF-STEM图像显示Pt在二维基底材料上呈现原子级分散（图1c～f）。

图1. 单原子Pt催化剂的合理设计和构建

利用XPS、XAS和电化学测试仪等表征手段分别对四种单原子催化剂上Pt（Pt-SAs/TMDs: Pt-SAs/MoS₂、Pt-SAs/WS₂、Pt-SAs/MoSe₂、Pt-SAs/WSe₂）的价态和电催化HER活性进行表征。再运用UPS价带谱、CO电化学溶出伏安、DFT计算等手段对单原子Pt在酸性和碱性催化过程中，中间物种（Pt-H和Pt-OH）吸附能进行探索（图2）。通过H/OH吸附能、Pt原子价态和其HER催化活性，构建出酸性和碱性HER构-效关系图（图2），并对单原子Pt催化剂在酸、碱性HER中反应机理进行合理猜想（图3）。此项工作为高性能单原子催化剂的设计和HER催化反应机理提供理论支持。

图2. 单原子Pt催化剂在酸、碱性HER中构-效关系的构建

图3. EMSI调控Pt单原子价态对电催化酸（a）、碱（b）HER活性的影响

这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是新加坡国立大学施毅博士和马志睿博士，通讯作者是新加坡国立大学陈伟教授、施毅博士和南京大学夏兴华教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Electronic metal–support interaction modulates single-atom platinum catalysis for hydrogen evolution reaction.

Yi Shi¶*, Zhi-Rui Ma¶, Yi-Ying Xiao, Yun-Chao Yin, Wen-Mao Huang, Zhi-Chao Huang, Yun-Zhe Zheng, Fang-Ya Mu, Rong Huang, Guo-Yue Shi, Yi-Yang Sun, Xing-Hua Xia*, and Wei Chen*

Nat. Commun., 2021, 12, 3021, DOI: 10.1038/s41467-021-23306-6

通讯作者介绍

陈伟教授目前是新加坡国立大学化学系和物理系正教授，并兼任天津大学-新加坡国立大学福州联合学院新方主任。课题组目前主要关注于低维分子量子结构/二维材料的界面问题，及其在二维材料光电功能器件，有机光电功能器件等方面的应用,以及环境和能源相关的表界面纳米催化。入选2018、2019科睿唯安高被引科学家。陈伟教授于2009年获得新加坡物理协会纳米技术奖，2012年新加坡总统奖（青年科学家奖），2016年新加坡国立大学院长讲席教授，2020年新加坡化学会Mitsui Chemicals-SNIC Industry Award。

课题组网站

https://www.chenweilab.com/ 

https://www.x-mol.com/university/faculty/4358 

夏兴华，教授。1982年至1989年，在厦门大学化学系获得学士和硕士学位；1991-1993年波恩大学访问学生；1993-1996年波恩大学化学系获得博士学位。他的研究重点是了解在界面/表面发生的生物和化学过程：使用原位光谱技术在功能性电极表面进行生物/电化学催化反应的动力学和机理，生物分子的构象和取向之间的关系以及它们的功能，直接电子转移和生物催化活性，在微/纳流体系统中的质量传输。另一个研究兴趣集中在用于（生物）电化学能量转换和存储的生物启发功能材料的合成上。

课题组主页

https://xxh.nju.edu.cn/ProfXia/index.html 

https://www.x-mol.com/university/faculty/11579 

施毅，分析化学博士。2009年至2013年，在南京师范大学化学与材料科学学院获得学士学位；2013年至2016年南京大学化学化工学院获得硕士学位；2016年至2018年获得南京大学化学化工学院获得博士学位；2019年至2021年在新加坡国立大学从事博士后研究；目前在新加坡科技研究局（A*STAR）继续从事研究工作。她的研究领域：功能化纳米材料的构建和改性，旨在揭示材料结构和性能关系的基础上，开发新型合成方法和催化剂，并应用于新能源领域。研究成果发表于Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、ACS Catalysis等期刊。