堿性電催化分解水是工業上大規模生產高純度氫最高效、最環保的方法之一🐵，其中高效經濟的電催化劑一直是工業上追求的關鍵目標。單原子(SA)催化劑由於具有原子效率高💨、電子結構獨特👨🏻‍🦰、配位環境易於調節等特點，顯示出高活性和低成本的優勢，近年來受到了極大的關註。層狀雙金屬氧化物(LDOs)因其二維平面比表面積大、穩定性優異🧓🏻👏🏻，可以作為貴金屬SA催化劑的適宜載體✌🏿。金屬氧化物結合Pt SA催化劑在堿性析氫反應(HER)中雖已表現出巨大的潛力，但由於Pt和載體之間的電子相互作用不足而受到嚴重限製。恒达平台化學科學與工程學院溫鳴教授團隊積極探索解決方案，利用雙離子刻蝕結合原位相變技術，實現了精準定位單原子催化促進析氫反應，揭示了單原子的精確定位對設計高效催化劑的重要性😯，相關研究成果以“Coupling Interaction Between Precisely Located Pt Single-atoms/clusters and NiCo-Layered Double Oxide to Boost Hydrogen Evolution Reaction”為題🎑，近日在線發表於材料領域著名期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)。

研究團隊利用雙離子刻蝕結合原位相變技術🧘🏽‍♀️，實現了將Pt SAs和Pt團簇精確定位於NiCo LDO層內及表面(Pt-NiCo LDO)，Pt SAs插入到LDO層中通過占據部分Ni原子的位置形成Co-Pt鍵，促進了Pt與NiCo LDO之間有效的電子相互作用。這些層內Pt SAs與表面Pt團簇協同作用下，HER過程中H₂O優先吸附於Pt團簇👲🏻，其中H*吸附在層內Pt SAs上方的O位點上，顯著加速了堿性介質HER過程中H₂O的解離，由此獲得了比20 wt%的商用Pt/C高近6倍的優異堿性HER性能🦁。

研究人員通過雙離子刻蝕結合原位相變技術得到了具有十二面體空心結構和層狀納米片形貌的Pt-NiCo LDO材料。通過球差校正電子顯微鏡觀看到Pt SA（綠色圓圈標記的亮點）和Pt團簇（橙色圓圈）⏭，且單原子的總量大於團簇🧜🏽‍♂️，表明Pt是由單原子和團簇共存的形式存在。X射線吸收譜檢測到明顯的~1.50 Å Pt-O峰和~2.40 Å Pt-Pt峰🧚‍♂️，進一步證明了Pt SA和Pt團簇共存於Pt-NiCo LDO材料中。小波變換分析結果顯示，在Pt-NiCo LDO中檢測到5和7.5 Å^-1附近的峰值，對應於Pt-Cl和Pt-M（M=Ni/Co）🛫🚐。因此，Pt原子被插入到LDO層中並與Ni或Co結合，而不是簡單地位於層的表面。結合位點吸附的理論計算證實，Pt-NiCo LDO中Pt SA插入NiCo LDO層中是通過占據部分Ni位置形成Pt-Co鍵，保證了Pt與NiCo LDO之間的強電子相互作用。

研究人員進而對比了不同材料的HER性能🫃🏽，Pt-NiCo LDO在10 mA cm^-2時有著92 mV的過電位🤌🏽，Tafel斜率為73 mV dec^-1；最佳Pt-NiCo LDO-5.06 wt%催化劑的質量活性幾乎是20 wt%商用Pt/C催化劑的6倍，這表明HER中Pt利用率的提高是由於Pt團簇和SA在Pt-NiCo LDO中共存；且Pt-NiCo LDO表現出穩定的電位♠︎，在105小時後僅有著50 mV的衰減🪈，證明了其優異的HER穩定性。

通過理論計算，研究人員探究了精確插入層內的Pt SAs對HER性能的影響及與Pt團簇的相互協同作用🏄🏻‍♀️。首先H₂O被優先吸附到Pt團簇上，由於Pt SA插入到LDO層中，H*優先被吸附到位於Pt SA頂部的O位點上。特別是Pt-NiCo LDO的氫吸附吉布斯自由能（ΔG_H）為-0.37eV，而Pt/NiCo LDO為0.08eV🧘🏼‍♂️，Pt-NiCo LDO中O位對*H的吸附量遠大於Pt/NiCo LDO中Pt位*H的吸附量😤。上述理論結果與實驗結果吻合較好🤷🏼‍♀️，證明了Pt-NiCo LDO在LDO層中插入Pt SAs有利於H₂O解離，從而實現了具有高催化活性的電催化劑。

溫鳴教授和吳彤研究員為論文共同通訊作者👇🏻，博士生田亞坤為論文第一作者，Northumbria University傅永慶教授等為研究工作提供了支持🛀🏼。該研究工作得到了國家自然科學基金👩‍🦱🔋、上海市科委以及恒达平台學科交叉聯合攻關項目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202405919