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?李雋/路戰勝ACS Catal.: M1/PMA單原子電催化劑理論檢驗—超高性能的HER和OER

開發具有優異催化活性的經濟高效電催化劑對于析氫反應(HER)、析氧反應(OER)和氧還原反應(ORR)來說至關重要。單原子催化劑(SAC)具有金屬原子利用率高、活性位點單一和金屬-載體相互作用強以及實現高催化性能和選擇性的巨大潛力等優點，是工業催化領域的突破性進展。

清華大學李雋和河南師范大學路戰勝等人使用基于第一性原理的計算研究了磷鉬酸(PMA)簇上負載的一系列SAC對HER、OER和ORR的電催化性能。

單金屬原子吸附最合理的位點是PMA簇上的4H (4-fold hollow)位點。由于單金屬原子吸附具有更高的穩定性和催化活性，因此可以通過催化實現快速的電子轉移動力學。

主要是Pt₁/PMA、Ru₁/PMA、V₁/PMA和Ti₁ /PMA通過Volmer-Heyrovsky途徑實現了近乎理想的ΔG_H*值(ΔG_H* = 0)，從而實現了對HER的良好催化性能。Co₁/PMA (0.45 V)和Pt₁/PMA (0.49 V) 可以作為 OER的活性和選擇性催化劑，其過電位與MoC₂、IrO₂和RuO₂相當。

非貴金屬Fe₁/PMA SAC是一種很有前景的ORR 電催化劑，其過電位為0.42 V，低于Pt 催化劑的過電位(0.45 V)。此外，Pt₁/PMA是用于整體水分解(HER過電位為-0.02 V和OER過電位為0.49 V)和金屬-空氣電池(ORR過電位為0.79 V)的多功能電催化劑。

進一步擴展到計算Co₁對 OER和Fe₁對ORR的優異催化性能的動勢能壘，所有質子耦合電子轉移(PCET)步驟中的動力學激活勢壘值與熱力學結果非常吻合。結果表明，PMA簇是HER、OER和ORR的有前途的單原子載體，并提供低成本和高效的電催化活性。

Theoretical inspection of M₁/PMA single-atom electrocatalyst: Ultra-high performance for water splitting (HER/OER) and oxygen reduction reactions(OER). ACS Catalysis, 2021. DOI: 10.1021/acscatal.1c01294

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