研究背景

氢（H2）作为一种具有高能量密度的无碳能量载体，有助于实现世界上许多国家承诺的碳中性目标。水电解加上可再生能源和直接太阳能驱动的光催化被认为是最有前景的“绿色”制氢方法。为了将蓝图变为现实，必须大规模部署水电解槽和光催化反应器，以满足全球需求。鉴于析氢反应（HER）催化剂和光催化剂分别是控制电化学和光催化水分解性能的关键组件，因此迫切需要开发高效、稳定和经济适用的HER电催化剂和光催化剂，以实现在需要氢气的不同行业广泛部署水电解槽和光催化反应器。

自年发表报告以来，石墨碳氮化物（g-CN）作为一种用于制氢的无金属光催化剂得到了深入研究。尽管具有HER活性，但纯g-CN的产氢率不够高，有报告称在g-CN上负载Co催化剂可以显著提高析氢性能。此外，还探索了g-CN作为电化学分解水的电催化剂。然而，g-CN是一种聚合物半导体，其带隙约为2.7eV，其导电性很差，因此纯g-CN本质上不是合适的电催化剂。然而，最近的理论研究和实验研究表明，负载贵金属或过渡金属物种的g-CN在酸性和碱性电解质中可以作为HER的杰出电催化剂。例如，Zheng等人报告说，在碱性条件下，g-CN上负载的反常面心立方（fcc）Ru纳米粒子的析氢转换频率（TOF）比最先进的商用Pt/C催化剂高2.5倍，这可以归因于Ru和g-CN的结合有利于水离解。原子级分散在g-CN表面的金属物种最近成为一类新的电催化剂，它可以优化金属的利用率，尤其是昂贵的铂族金属（PGM），还可以显著改善催化性能。为此，g-CN因其丰富的不饱和氮基团而成为一种优秀的支撑材料，可牢固地锚定金属物种，从而改善原子分散性。

研究成果

在此，伊比利亚国际纳米技术实验室LifengLiu、波尔图大学JoaquimL.Faria等人报道了一种简单的水热法合成介孔g-CN，并在上面负载单原子Ir和Ru（简称Ir-g-CN和Ru-g-CN），这些催化剂显示出高效稳定的HER性能。本文要点如下：

（1）对Ir-g-CN和Ru-g-CN进行了全面表征和性能测试。扫描透射电镜证实了Ir和Ru物种在g-CN载体上的原子级分散。同时，Ir-g-CN和Ru-g-CN表现出优异的电催化性能，在0.5MH2SO4和1.0MKOH中，Ru-g-CN在η=mV时分别表现出12.9和5.1s-1的高TOF值，这优于Ir-g-CN、商用Pt/C和文献中最近报道的许多其他高级HER催化剂。

（2）Ru-g-CN在酸性和碱性溶液中的质量活度为24.55和8.78Amg-1，η=mV，同时表现出较高的表观电流密度，这有利于实际应用。令人印象深刻的是，Ru-g-CN还显示出出色的光催化HER活性，显示出.7mmolH2gRu-1h-1的高产氢率，以及良好的催化稳定性。

（3）密度泛函理论（DFT）计算表明，在g-CN上负载Ir和Ru单原子会改变电子结构，导致带隙减小和导电性提高，促进催化过程中的电子转移。此外，氢在Ru-g-CN和Ir-g-CN上吸附的吉布斯自由能也大大降低，从而提高了HER的性能。

图文赏析

图1.a-c）Ir-g-CN和（d-f）Ru-g-CN的AC-HAADF-STEM图像。（c）和（f）中的红色圆圈分别代表Ir和Ru的单原子。

图2.所有催化剂的（a）XRD图谱，（b）FT-IR光谱，（c）氮吸附-脱附等温线。（d）g-CN，（e）Ir-g-CN和（f）Ru-g-CN催化剂的高分辨N1s光谱。

图3.（a）紫外-可见吸收光谱和相应的Tauc图（插图），（b）PL光谱，（c）Mott-Schottky图和（d）g-CN、Ir-g-CN和Ru-g-CN催化剂相应的电子能带结构。

图4.g-CN、Ir-g-CN和Ru-g-CN催化剂的电催化性能。（a，b）LSV曲线。扫描速度：5mVs-1。（c，d）将Ir-g-CN和Ru-g-CN与最近报道的其他最新技术的Ir和Ru基催化剂的质量活性和表观活性进行综合比较。（e，f）长期催化稳定性测试，?10mAcm-2。数据分别在（a、c、e）0.5MH2SO4和（b、d、f）1.0MKOH中采集。

图5.g-CN、Ir-g-CN和Ru-g-CN催化剂的光催化析氢试验。（a）根据催化剂质量与光催化反应持续时间对H2的释放进行归一化。（b）H2的释放仅与贵金属的质量和光催化反应持续时间有关。（c）基于质量的析氢速率和TOF值的比较。（d）光照下Ir-g-CN和Ru-g-CN的光催化循环试验。

图6.（a）能带结构，（b）预测态密度，以及（c）g-CN、Ir-g-CN和Ru-g-CN催化剂对HER的吉布斯自由能图。

ZhipengYu,YifanLi,AndréTorres-Pintoetal.Single-atomIrandRuanchoredongraphiticcarbonnitrideforefficientandstableelectrocatalytic/photocatalytichydrogenevolution.Appl.Catal.B:Environ.,.

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