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費慧龍/葉龔蘭/董俊才AM: 單原子Co-N-C位點排列多孔碳膜用于高電流密度HER

金屬-氮摻雜的碳(M-N-C)材料作為一類獨特的單原子催化劑(SACs)，可以替代Pt用于電催化析氫反應(HER)。然而，將其用于高電流密度下HER仍然是一個巨大的挑戰。

湖南大學費慧龍、葉龔蘭和中國科學院董俊才等報道了一種具有單原子Co-N-C位點排列的多孔碳膜，其能夠在高電流密度下高效穩定電催化HER。

多孔碳膜中Co-N-C位點具有接近零起始電位的高內在活性和小的電荷轉移電阻，原子級 CoN_x位點提供高本征活性以增強HER動力學。而具有垂直排列微通道的碳骨架的多尺度孔隙率在高產率和超厚電極的條件下提供了更快的傳質。

此外，超親水性使薄膜在浸入水溶液時能夠被電解質自發潤濕，而超疏氣性使薄膜對氣泡的附著力低，有利于快速、自發地去除小尺寸的H₂氣泡。

綜上，在500 mA cm^-2和1000 mA cm^-2的高電流密度下，Co-NC-AF作為HER電極在0.5 M H₂SO₄中的過電位分別為272 mV和343 mV，并且可以在1000 mA cm^-2的高電流密度和靜態條件下(沒有強制對流)連續運行至少32小時。

該項工作中提出的合成方法和設計原理可以推動基于多孔膜的M-N-C催化劑在重要的涉及氣體的電催化過程中的探索，并向 SAC的實際應用邁出了重要的一步。

Design of aligned porous carbon films with single-atom Co-N-C sites for high-current-density hydrogen generation. Advanced Materials, 2021. DOI: 10.1002/adma.202103533

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