氫氣被認(rèn)為是極有前景的清潔能源之一，為了能夠從水中有效地獲取氫能源，電化學(xué)析氫反應(yīng)（HER）是一個(gè)十分重要的途徑。傳統(tǒng)的鉑基電析氫催化劑盡管表現(xiàn)十分優(yōu)異，但其商業(yè)化過(guò)程受限于鉑元素稀少的儲(chǔ)量和高昂的價(jià)格。因此，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有高效析氫性能、原料儲(chǔ)量豐富的替代催化劑成為必然。近年來(lái)，用于電化學(xué)析氫過(guò)程的過(guò)渡金屬催化劑體系受到人們廣泛的關(guān)注。在該類材料中，鎢基催化劑(WC_x, WN_x, WP_x, WS_x等)因其獨(dú)特的性能而吸引了研究者的目光，但使用其替代傳統(tǒng)貴金屬催化劑，仍存在一些瓶頸。

近日，清華大學(xué)王定勝教授（通訊作者）在Advanced Materials期刊上發(fā)表了題為“Single Tungsten Atoms Supported on MOF-Derived N-Doped Carbon for Robust Electrochemical Hydrogen Evolution”的研究論文。在本文中，研究人員設(shè)計(jì)并合成了一種MOF衍生的氮摻雜碳材料負(fù)載單原子鎢催化劑(W-SAC)，用于堿性條件下高效、穩(wěn)定的電化學(xué)催化析氫過(guò)程。在10 mA/cm²的電流密度下，該催化劑的過(guò)電勢(shì)可達(dá)85 mV，且Tafel斜率僅53 mV/dec，其在0.1M KOH電解質(zhì)中的析氫性能可與商業(yè)化的Pt/C催化劑相媲美。通過(guò)球差校正透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）和同步輻射X-射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜學(xué)（XAFS）等表征手段，研究人員證明了催化反應(yīng)的活性位點(diǎn)是以W₁N₁C₃的形式存在于體系中。

(A, B) 材料的TEM照片；

(C) 材料的EDS能譜圖像；

(D) 材料的單原子HAADF像。

(A) W-L₃邊XANES曲線；

(B) W-SAC在W L₃-邊的k³-weight FT-EXAFS 曲線；

(C) W-SAC和標(biāo)準(zhǔn)品的WT-EXAFS偽彩圖；

(D) W-SAC在W L₃-邊的 k³-weight FT-EXAFS擬合曲線；

(E) W-SAC中單原子W的模型。

(A) W-SAC的HER極化曲線(5 mV/s)；

(B) W-SAC , WC, WN, 20% Pt/C過(guò)電勢(shì)對(duì)比 ；

(C) Tafel斜率對(duì)比；

(D) Nyquist 圖對(duì)比；

(E) W-SAC TOF值；

(F) W-SAC催化穩(wěn)定性測(cè)試。

(A) 氫氣在W-SAC, WC, WN, N-doped graphene上吸附的吉布斯自由能(?GH*)；

(B) W-SAC在平行于xy平面上的差分電荷密度(定義差分電荷密度為W原子摻雜與否的局部電子密度變化程度，紅色和藍(lán)色分別對(duì)應(yīng)升高和降低；原子顏色：灰色：碳， 藍(lán)色：氮， 酒紅色：鎢)。

本文報(bào)道了一種用于堿性環(huán)境下催化電化學(xué)析氫的單原子鎢催化劑，且該體系在酸堿電解質(zhì)中均可表現(xiàn)出較高的催化活性和穩(wěn)定性。同時(shí)，研究人員也揭示了催化體系中的鎢單原子局部結(jié)構(gòu)，并通過(guò)DFT理論計(jì)算等證明了W₁N₁C₃位點(diǎn)在催化過(guò)程中的重要性。研究人員通過(guò)發(fā)現(xiàn)和合成第一例鎢單原子催化劑，為研究替代貴金屬基的電析氫催化劑提供了更多選擇和思路。