具有單原子厚度的二維結(jié)構(gòu)是新一代具有獨特物理化學性質(zhì)的催化體系。由于單原子尺寸效應和金屬原子與載體之間的強相互作用，以及金屬原子的高質(zhì)量負載，催化體系的穩(wěn)定性、活性和效率大幅度提高。然而，對于目前開發(fā)的大多數(shù)合金/納米結(jié)構(gòu)納米材料，只有少數(shù)暴露在表面的邊緣位點在催化過程中是活躍的。具有完全活化的高密度金屬原子的原子厚度二維納米材料將表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
然而，這些原子厚度的二維納米材料由于實際的合成障礙而且容易將單層二維納米材料聚集成密集堆疊的結(jié)構(gòu)，目前仍缺乏有效的制備手段。因此，探索簡單的合成方法，構(gòu)建高密度負載活性位點和高活性及穩(wěn)定性的二維納米材料是非常必要的。理論預測表明，單原子厚度的零價金屬在石墨炔(GDY)表面表現(xiàn)出完全活化的狀態(tài)?；诖?，中國科學院化學研究所李玉良和山東大學薛玉瑞等在二維GDY材料表面可控地自組裝了一層具有單原子尺寸厚度的高活性零價Os單原子層(Os/GDY)，并研究了其電催化海水產(chǎn)氫性能。實驗結(jié)果和密度泛函理論(DFT)計算表明，GDY與金屬原子之間強烈的表面相互作用導致GDY表面具有高密度的電荷，從而優(yōu)化了H*反應中間體吸附/脫附；此外，高活性的表面導致不完全的電荷轉(zhuǎn)移效應，有效地驅(qū)動了催化過程，使反應自由能達到最佳，從而表現(xiàn)出高的催化活性和穩(wěn)定性。在堿性模擬海水中，Os/GDY催化劑僅需77 mV的HER過電位就能達到1500 mA cm?2的電流密度；同時，該催化劑在50 mV的過電位下周轉(zhuǎn)頻率和質(zhì)量活性分別為3.89 s?1和16.5 A mgOs?1，分別為商業(yè)Pt/C催化劑的32.4和217.1倍。此外，在7000次循環(huán)伏安(CV)測試中，Os/GDY的活性下降可忽略不計，測試后材料的形貌和結(jié)構(gòu)仍保持良好，表明其在腐蝕性鹽水電解液中具有較高的穩(wěn)定性。綜上，該項工作報道了一種控制制備結(jié)構(gòu)確定、高活性、原子尺度分布材料體系的有效策略，為高效的單原子厚度二維材料的設計和開發(fā)以用于其他催化反應奠定了基礎。Self-organized gradually single-atom-layer of metal osmium for an unprecedented hydrogen production from seawater. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c00027
