第一作者：Zhihong Huang, Tao Cheng, Aamir Hassan Shah

通訊作者：段鑲鋒、黃昱、William A. Goddard III

通訊單位：美國加州大學洛杉磯分校，美國加州理工學院

段鑲鋒，MRS全美杰出研究生獎、全美發明家競賽大獎，美國“青年科學家總統獎”等獲得者，是美國Nanosys高科技公司聯合創始人之一。2003年被美國Technology Review評為年度世界百位杰出青年發明家之一；2011年入選湯森路透集團發布的2000-2010年全球頂尖100化學家名人堂榜單和全球頂尖100材料學家名人堂榜單。

研究方向為：納米材料的合成、組裝和表征；先進電子和光子材料與器件；能源利用、轉化與存儲；生物醫學傳感與治療等?。

黃昱，美國加州大學洛杉磯分校教授，博士生導師。美國青年科學家總統獎、美國國家科學基金會特別創意獎、美國國立衛生研究院創新獎等獲得者，主要從事納米材料研究，利用生物分子識別材料能力控制材料形態與合成。

論文速覽

析氫反應（HER）對于基礎電化學研究和綠色氫氣生產具有重要意義。鉑（Pt）因其最佳的氫結合能而被視為最有效的HER催化劑。然而，確定Pt表面的主導活性位點及其在HER中的作用對于合理設計催化劑至關重要，但一直是一個挑戰。

本研究結合了電輸運光譜（ETS）和反應力場（ReaxFF）計算，分析了氫氣在鉑納米線上的吸附行為，并發現了兩個不同的峰值：一個在0.20 ^VRHE對應于(111)和(100)晶面，另一個在0.038 ^VRHE對應于邊緣位點。同時進行的ETS和循環伏安法表明，邊緣位點的吸附與HER的起始點相吻合，表明邊緣位點的關鍵作用。ReaxFF分子動力學計算證實了邊緣位點的HER活化勢壘較低，轉化頻率比(111)或(100)晶面高兩個到四個數量級。在堿性介質中的ETS顯示，邊緣位點上的氫氣吸附受到顯著抑制，導致HER動力學更加緩慢。這些發現闡明了Pt表面上不同位點的作用，為HER催化劑設計提供了關鍵見解。

圖文導讀

圖1：電輸運譜（ETS）實驗設置。

圖2：PtNWs在不同電位下的原位CV和電導變化，以及導數電導變化與CV曲線的比較。

圖3：不同電位和氫氣覆蓋率下，兩個相鄰Pt(111)和Pt(100)表面以及PtNW的橫截面的界面結構。

圖4：PtNWs上不同位點的氫氣原子數量隨電位變化的曲線。

圖5：七種可能的塔菲爾反應途徑的預測反應動力學。

圖6：pH 1和pH 13的電解質中的HER動力學比較。

總結展望

本研究通過結合實驗和理論計算，明確了在鉑納米催化劑上，邊緣位點相較于(111)和(100)晶面在析氫反應中的主導作用。實驗觀察到的兩個氫氣吸附峰值，以及ReaxFF計算所證實的較低活化勢壘和高轉化頻率，均指向邊緣位點在HER中的關鍵性。特別是在堿性介質中，邊緣位點的氫氣吸附受到抑制，這解釋了堿性條件下HER動力學的緩慢。

這些發現不僅為理解Pt表面上HER動力學提供了新的視角，也為設計更高效的電催化劑提供了重要的指導。未來的研究可以進一步探索如何通過調控催化劑的尺寸、形狀和晶面來優化邊緣位點的數量和活性，從而實現HER性能的顯著提升。

文獻信息

標題：Edge sites dominate the hydrogen evolution reaction on platinum nanocatalysts

期刊：Nature Catalysis

DOI：10.1038/s41929-024-01156-x