第一作者：何勇民, Liren Liu, Chao Zhu, Shasha Guo
通訊作者：何勇民, 劉政，王岐捷, 張助華
通訊單位：湖南大學，南洋理工大學，南京航空航天大學
貴金屬資源（如鉑和鈀）的高成本阻礙了燃料電池和金屬-空氣電池在商業應用中向可持續能源發展的廣泛部署，以汽車市場為例，2018年燃料電池中Pt總使用量約為0.117 g kWgross-1（kWgross為燃料電池的總功率），對于燃料電池系統的成本需求，到 2020 年將降至 0.108 g/kWgross-1，到 2025 年將降至 0.064 g kWgross-1。為了降低成本，對貴金屬進行納米結構化是一種很有前途的策略，可以提高利用效率并降低質量負載，目前，貴金屬已被設計成三維多孔結構、二維（2D）納米片、一維納米線、零維簇（圖 1a）甚至小到單個原子的結構（圖 1b）。當所有貴金屬原子都專門用于催化反應時，可以實現極大化的原子利用效率，當貴金屬原子形成單原子層時（厚度約為 1nm），將會是納米化的終極狀態（圖 1c），所有原子都可在最大密度條件下進行重構，同時可進行催化反應，具有電催化活性且熱力學穩定。作者設計合成了原子級厚度的無定形 PtSex 作為 HER 電催化劑，單層無定型結構可以有效提高 Pt 利用率。圖1. 以無定形 PtSex 層為基礎設計的單原子層Pt催化劑在-30 °C 的溫度下，在低密度Ar 等離子體通過離子蝕刻預沉積的2D PtSe2， 來合成非晶結構但仍極為堅固的晶圓級、1 nm厚的PtSex 層。非晶層中硒原子的損失，在PtSe2表面上產生了穩定的 Pt 單原子層相。這種無定形 PtSex (1.2 < x < 1.3) 表現為完全活化的表面，無定形 PtSex 層表現出優異的催化性能，類似于純 Pt 表面，起始電位為 0 V vs. RHE，Tafel 斜率為 39mV dec-1 和在 50mV 的低電位下，電流密度為 25mA cm-2。圖3. 微電化學電池中無定形 PtSex 催化劑的 HER 活性晶圓級無定形 PtSex 層的實用性在水電解槽中得到進一步證明，可以產生 1,000 mA cm-2 的高電流密度，并可以持續的生產氫氣，這些結果顯示了一種基于非晶化方法，來優化二維和類似材料的催化性能，此外，這種非晶化策略有可能擴展到其他貴金屬，包括 Pd、Ir、Os、Rh 和 Ru 元素，證明了單原子層催化劑的普遍性。圖4. 無定形 PtSex 催化劑的晶圓級制造和穩定性
He, Y., Liu, L., Zhu, C. et al. Amorphizing noble metal chalcogenidecatalysts at the single-layer limit towards hydrogen production. Nat Catal (2022).DOI：10.1038/s41929-022-00753-yhttps://doi.org/10.1038/s41929-022-00753-y
