​南航Angew.：类金属WCx负载低价单原子，实现高效催化HOR和HER

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高性能燃料电池和水电解槽的快速发展迫切需要设计先进的氢氧化反应(HOR)和析氢反应(HER)电催化剂。贵金属基催化剂由于具有优异的HOR和HER催化活性而受到人们广泛的关注。
然而，贵金属的高成本和稀缺性限制了大规模的实际应用，并且贵金属催化剂的CO中毒业也影响了其活性。
目前，单原子催化剂(SACs)具有较高的原子利用率和可控性，被认为是降低贵金属负载、获得优越的催化活性的有效策略。
碱性电解质中SACs的HOR/HER速率主要取决于氢结合能(HBE)和羟基结合能(OHBE)，因此改善单原子活性位点的电子结构，实现氢(Had)和羟基(OHad)的吸附平衡是提高电催化性能的关键。
一般来说，SACs的电子态与金属原子与支撑材料之间的局部配位环境有关，这也得到了广泛的研究。
然而，阐明单原子活性位点与局部协调环境之间的构效关系仍然具有挑战性。
​南航Angew.：类金属WCx负载低价单原子，实现高效催化HOR和HER
​南航Angew.：类金属WCx负载低价单原子，实现高效催化HOR和HER
基于此，南京航空航天大学彭生杰课题组采用热解法，成功将单个原子分散在WCx载体上(M-WCx，M=Ru，Ir，Pd)，用于高效催化HOR/HER。
多功能WCx作为一种良好的单原子载体，不仅促进了活性位点的高分散，而且加速了传质和反应动力学；同时，单原子与类金属WCx之间的弱配位环境抑制了金属中心价态的上升，导致金属-金属相互作用，从而调节了催化剂的电荷分布，稳定了活性位点；此外，价态接近于零的单原子活性位点呈现出适用于中间体吸附/解吸的电子轨道的能级分布，最终促进了HOR和HER过程。
​南航Angew.：类金属WCx负载低价单原子，实现高效催化HOR和HER
​南航Angew.：类金属WCx负载低价单原子，实现高效催化HOR和HER
因此，最优的Ru-WCx电催化剂在碱性电解质中对HOR和HER的质量活性分别为7.84和62.52 A mgRu−1，是商业Pt/C的30.05倍和13.09倍；并且，该催化剂还表现出优异的长期耐久性和良好的CO耐受性。
此外，密度泛函理论(DFT)计算表明，低价单原子与相邻W位点的协同效应合理地平衡了HBE和OHBE，优化了催化反应步骤的能垒。
总的来说，该项工作所提出的SACs构建概念为双能电催化剂的设计提供了指导，并扩展了开发高效能量转化材料的思路。
Stabilizing Low-Valence Single Atoms by Constructing Metalloid Tungsten Carbide Supports for Efficient Hydrogen Oxidation and Evolution. Angewandte Chemie International Edition, 2023. DOI: 10.1002/anie.202311937

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