原子厚二維（2D）材料具有優(yōu)異的物理、化學(xué)和電子特性，在下一代科學(xué)技術(shù)中越來越受到關(guān)注，在催化和能源科學(xué)中顯示出巨大的前景。然而，基于此類材料的高效催化體系的精確設(shè)計和合成仍然面臨許多困難，特別是如何控制結(jié)構(gòu)確定、高活性、原子尺度分布的材料體系的制備。
基于此，中國科學(xué)院化學(xué)研究所李玉良院士和山東大學(xué)薛玉瑞教授等人報道了在2D石墨炔（GDY）材料表面成功地、可控地自組織了一層厚度為單原子大小的高活性零價鋨（Os）單原子層（Os/GDY）。測試發(fā)現(xiàn)，其在電流密度為500 mA cm-2時過電位僅為49 mV，特定j0為18.6 mA cm-2，周轉(zhuǎn)頻率為3.89 H2 s-1。此外，sp-C-Os鍵的形成保證了在堿性模擬海水中500 mA cm-2大電流密度下表現(xiàn)出800 h的穩(wěn)定性。通過DFT計算，作者研究了Os/GDY上氫氣吸附的優(yōu)化模型。H2吸附的吉布斯自由能（ΔGH*）計算表明，Os/GDY上的Os原子具有較強的催化活性，其ΔGH*值較小。投影態(tài)密度（PDOS）計算，Os/GDY具有金屬性質(zhì)，表明GDY與Os之間的特定不完全電荷轉(zhuǎn)移可以有效調(diào)節(jié)催化劑的電子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化H的吸附/解吸行為，從而提高其本征活性。作者模擬了Os/GDY在堿性海水中的整個HER過程。首先，一個H2O分子穩(wěn)定吸附在Os/GDY上，吸附自由能（ΔGH2O*）為負(fù)，為-0.96 eV。吸附的H2O*分子隨后解離成(H-OH)*物種。生成的OH*隨后從催化劑表面解吸，隨后H*偶聯(lián)生成H2。結(jié)果表明，不完全電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)的關(guān)鍵作用，金屬原子的零價態(tài)可以促進(jìn)催化劑表面H*的吸附/解吸行為的優(yōu)化，從而獲得較高的本征催化活性。Self-Organized Gradually Single-Atom-Layer of Metal Osmium for an Unprecedented Hydrogen Production from Seawater. J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.4c00027.
