析氢反应(HER)被认为是实现未来绿色、可持续氢能蓝图的关键。在已报道的电催化剂中，单原子Pt基材料因其固有的HER高活性和对贵金属原子的最大利用而受到广泛关注。金属原子(M)与周围非金属原子(nM)形成的配位构型一直被认为是决定中间体吸附能和催化活性的关键因素。在过去的研究中，Pt-(nM)4构型被认为是一个高活性的活性位点。近年来一些报道表明，M-(nM)4可能不是典型反应的最佳活性位点，值得进一步构建新的构型来提高其固有活性。
基于此，格里菲斯大学姚向东、西安交通大学常春然、福州大学袁珮等报道了一种独特的Pt-C3配位结构，该配位结构是通过将孤立的Pt原子捕获到富缺陷的石墨烯载体上制备的。该催化剂(Pt@DG)的活性大约比商业的20 wt % Pt/C高18倍。结合光谱表征和理论计算，进一步证实了最佳单空位配位Pt (Pt-C3)在促进电子转移方面起着至关重要的作用，使HER过程中中间物种更容易被还原，有利于H2的生成。
在研究过程中，该团队借助合肥光源软X射线磁圆二色站(BL12B)的同步辐射软X射线吸收谱表征研究了石墨烯(G)和引入N后又去除N的石墨烯（DG）的电子结构。图1b展示了C K-edge图谱，G的C K-edge在285.6 eV分配给1s→π*跃迁的特征峰在DG中向低能量 (285.5 eV)转移，说明N的引入和去除可导致碳晶格的部分重构。这个峰在物理上对应于碳的sp2构型的面外键，表现出强烈的极化依赖性，DG中该峰的更高强度表明其更富缺陷，这和拉曼光谱中得到的缺陷碳的浓度趋势一致（图1c）。DG在292 eV处的另一个峰(1s→σ*)明显高于G，该峰对六角形石墨中碳键的变形和应变非常敏感。这些结果表明DG产生了更多的缺陷，增加了集中的环缺陷而不是边缘状态，也就是说，缺陷的引入会导致碳的π*反键轨道的未占据态的增加。由于碳缺陷较多，DG能捕获更多的Pt物种（Pt@DG为1.57 wt %， Pt@G为0.62 wt %）。这一研究成果将提高我们对设计高效HER催化剂的认识，相关成果以“Single carbon vacancy traps atomic platinum for hydrogen evolution catalysis”为题，发表在国际著名学术期刊Journal of the American Chemical Society 上。 (https://doi.org/10.1021/jacs.1c10814)
图1. (a) Pt@DG的合成示意图。 (b) G和DG的C K-edge NEXAFS谱图。 (c) G, NG, DG的缺陷碳浓度 (d) Pt@DG的HAADF-STEM图像，表明Pt在碳骨架中以单原子存在（亮点部分用红圈标出）
