精确调控金属活性物质的电子结构是电催化研究的重要内容。然而，具有惰性表面的碳提供了较弱的金属-载体相互作用，这不足以调节金属纳米粒子的电子结构。

有鉴于此，中科院大连化物所刘健、大连理工大学周思和天津大学梁骥等人，提出了一种通过在O掺杂石墨烯上分散单个金属原子来控制负载金属纳米粒子的电催化行为的新方法。

本文要点

1）以碳基体上的钌纳米粒子为原型系统，密度泛函理论(DFT)计算表明，当适当的单金属原子(如Fe、Co和Ni)掺杂在碳载体上时，在基体和钌纳米粒子的界面上发生了增强的电荷转移。这可以有效地重塑Ru纳米粒子的电子结构，使电催化活性得到优化。

2）为了实验验证这一预测，钌纳米颗粒作为高成本铂的理想替代品，被负载在以非贵金属单原子(Fe、Co或Ni)装饰的O掺杂石墨烯衬底上作为模型电催化剂。由于原始Ru表面H原子结合强度过大，阻碍了析氢反应(HER)的进行，因此选择其作为原型反应。

3）这种由Ru纳米颗粒和分散的金属原子组成的杂化催化剂在10 mA cm^-2的电流密度下具有22.8 mV dec-1的超低Tafel斜率和13 mV的超低超电势，这是迄今为止报道的最高性能。这清楚地证实了Ru纳米颗粒是活性中心，并且原子Co物种增强了HER活性，这与DFT计算结果非常一致。

总之，该工作为调节金属纳米粒子在电催化过程中的活性和稳定性提供了一种新的策略。

参考文献：

Panpan Su et al. Exceptional electrochemical HER performance with enhanced electron transfer between Ru nanoparticles and single atoms dispersed on carbon substrate. Angew., 2021.

DOI: 10.1002/anie.202103557

https://doi.org/10.1002/anie.202103557