通过边界轨道调制对铑单原子催化剂进行改性，以增强氢气的释放效率

《Nature Communications》：Frontier-orbital modulation of rhodium single-atom catalysts for enhanced hydrogen evolution

　　

摘要

单原子催化剂（SACs）由于能够实现原子的最大利用率和离散的能级，在氢气生成反应中展现出巨大潜力。调节金属与载体的相互作用是调控其活性和稳定性的关键，然而实现精确的控制和深入理解其作用机制仍然具有挑战性且存在争议。在本研究中，我们构建了一个基于铑单原子的催化剂模型体系，其中铑原子被固定在一系列MoS_xSe_2-x载体上（Rh_SA-MoS_xSe_2-x，0 ≤ x ≤ 2），通过系统地调整阴离子组成来调控金属与载体之间的前线轨道相互作用。MoS_xSe_2-x载体中升高的最低未占据分子轨道（LUMO）与铑原子的最高占据分子轨道（HOMO）之间的能隙减小，增强了金属与载体的轨道杂化作用，从而提高了稳定性，并进一步调整了铑原子的LUMO，以优化氢氧化物和氢气的吸附性能，从而实现高活性。具有最佳HOMO-LUMO杂化效果的Rh_SA-MoSSe催化剂同时具备了优异的氢气生成反应活性和稳定性。这项工作为单原子催化剂中金属与载体前线轨道相互作用提供了基础性的见解，并为高活性和稳定性的电催化反应设计提供了合理的框架。