氫能是實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵，其中具有單金屬原子分散的異質(zhì)結(jié)材料是制氫的理想材料。然而，如何實現(xiàn)大規(guī)模制備高穩(wěn)定性、低成本、方便的單原子錨定異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。

基于此，香港城市大學(xué)（深圳）呂堅、香港城市大學(xué)李揚揚和哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）孫李剛（共同通訊作者）等人報道了一種從礦物水凝膠開發(fā)的鐵（Fe）單原子分散異質(zhì)結(jié)的鉬（Mo）基納米片（Fe/SAs@Mo-based-HNSs）。該納米片在堿性條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的析氫反應(yīng)（HER）活性和可靠性，在電流密度為10 mA cm^-2下表現(xiàn)出38.5 mV的過電位，在高達(dá)200 mA cm^-2下，在運行超過600 h時后性能沒有下降，優(yōu)于大多數(shù)已報道的非貴金屬電催化劑。

通過DFT計算，以確定Fe/SAs@Mo-based-HNSs在HER中突出的電催化活性的分子基礎(chǔ)。作者計算了從實驗觀察中提取的各個位點的ΔE_H2O值，基于確定的微觀結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了三個單相模型（MoP、MoP₂、MoO₂）、三個異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面模型（MoP/MoP₂，MoP/MoO₂，MoP₂/MoO₂）和兩個單原子分散模型（Fe@MoO₂-1，F(xiàn)e@MoO₂-2）。所有界面模型的ΔE_H2O值均高于單相模型，證明異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面有效促進(jìn)H₂O吸附。

此外，單原子分散Fe原子與MoO₂中1個（Fe@MoO₂-1）和2個（Fe@MoO₂-2）O原子鍵合的H₂O吸附能力存在顯著差異，說明單原子分散Fe原子的局部鍵合環(huán)境極大地影響了電催化位點的H₂O吸附行為。

單相和異質(zhì)結(jié)界面模型均表現(xiàn)出比Pt(111)更強的水吸附能力，說明MoP₂、MoP₂和MoO₂納米晶體及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面是高效吸附水的關(guān)鍵。結(jié)果表明，在吸附H₂O分子時，異質(zhì)結(jié)界面和單Fe原子位點出現(xiàn)了明顯的電子耗損，表明了電子從活性位向H₂O分子轉(zhuǎn)移的有效促進(jìn)作用。

Two-dimensional mineral hydrogel-derived single atoms-anchored heterostructures for ultrastable hydrogen evolution. Nat. Commun., 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-33725-8.

https://doi.org/10.1038/s41467-022-33725-8.