背景介绍
二维（2D）材料催化在科学界受到广泛的关注。2D材料不仅在各种反应中表现出异常的内在活性，而且这些系统的2D性质使某些纳米级现象表现出来，为改进化学活性的全新策略提供了基础。在这方面，2D材料及其支架之间的受限空间代表了一种非传统的物理化学环境，只有选定的化学物种才能进入该环境，因此对选择性有很大影响。此外，反应中间体或活化过渡态络合物可能受到补充相互作用的影响，从而导致反应能量路径发生显著变化。
成果简介
在2021年10月14日，意大利Stefano Agnoli（通讯作者）等人报道了他们利用电化学扫描隧道显微镜（EC-STM）在原子尺度的精度绘制了石墨烯-铁（Gr/Fe）界面的电化学活性。作者将该方法应用于高精度模型系统，该系统由覆盖（111）取向的铂（Pt）单晶（Gr/Pt(111)）或Pt(111)上的少量单层 （ML）Fe膜的Gr单层组成（Gr/Fe(nML)/Pt(111)）。
图文速递
总结展望
综上所述，作者研究了Gr和两种不同金属（Pt和Fe）之间界面的HER，揭示了完全不同的行为。在Gr和Pt间的受限空间中，HER受到热力学增强，但受到H2分子远离界面扩散的限制。在Gr/Pt（111）的外表面上，由于氢原子与Gr之间的相互作用有限，HER受到强烈抑制。
此外，当Fe在Gr下方，形成Gr/Fe界面时，在活性和反应机理中观察到自由基变化。密度泛函理论（DFT）计算和实验数据的一致证据表明，碳空位中捕获的Fe原子表现为非常活泼的单原子催化剂，并且穿过阶梯边缘的Gr弯曲区域的活性也非常显著。该工作揭示了石墨层包裹的金属表面的电催化活性，不仅在HER中显示出巨大的潜力，而且在氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）中也显示出巨大的潜力。
文献信息
Operando visualization of the hydrogen evolution reaction with atomic-scale precision at different metal-graphene interfaces.Nature Catalysis, 2021, DOI: 10.1038/s41929-021-00682-2.