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?李雋/路戰(zhàn)勝ACS Catal.: M1/PMA單原子電催化劑理論檢驗—超高性能的HER和OER

開發(fā)具有優(yōu)異催化活性的經(jīng)濟高效電催化劑對于析氫反應(yīng)(HER)、析氧反應(yīng)(OER)和氧還原反應(yīng)(ORR)來說至關(guān)重要。單原子催化劑(SAC)具有金屬原子利用率高、活性位點單一和金屬-載體相互作用強以及實現(xiàn)高催化性能和選擇性的巨大潛力等優(yōu)點，是工業(yè)催化領(lǐng)域的突破性進展。

清華大學李雋和河南師范大學路戰(zhàn)勝等人使用基于第一性原理的計算研究了磷鉬酸(PMA)簇上負載的一系列SAC對HER、OER和ORR的電催化性能。

單金屬原子吸附最合理的位點是PMA簇上的4H (4-fold hollow)位點。由于單金屬原子吸附具有更高的穩(wěn)定性和催化活性，因此可以通過催化實現(xiàn)快速的電子轉(zhuǎn)移動力學。

主要是Pt₁/PMA、Ru₁/PMA、V₁/PMA和Ti₁ /PMA通過Volmer-Heyrovsky途徑實現(xiàn)了近乎理想的ΔG_H*值(ΔG_H* = 0)，從而實現(xiàn)了對HER的良好催化性能。Co₁/PMA (0.45 V)和Pt₁/PMA (0.49 V) 可以作為 OER的活性和選擇性催化劑，其過電位與MoC₂、IrO₂和RuO₂相當。

非貴金屬Fe₁/PMA SAC是一種很有前景的ORR 電催化劑，其過電位為0.42 V，低于Pt 催化劑的過電位(0.45 V)。此外，Pt₁/PMA是用于整體水分解(HER過電位為-0.02 V和OER過電位為0.49 V)和金屬-空氣電池(ORR過電位為0.79 V)的多功能電催化劑。

進一步擴展到計算Co₁對 OER和Fe₁對ORR的優(yōu)異催化性能的動勢能壘，所有質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移(PCET)步驟中的動力學激活勢壘值與熱力學結(jié)果非常吻合。結(jié)果表明，PMA簇是HER、OER和ORR的有前途的單原子載體，并提供低成本和高效的電催化活性。

Theoretical inspection of M₁/PMA single-atom electrocatalyst: Ultra-high performance for water splitting (HER/OER) and oxygen reduction reactions(OER). ACS Catalysis, 2021. DOI: 10.1021/acscatal.1c01294

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