原子厚二维（2D）材料具有优异的物理、化学和电子特性，在下一代科学技术中越来越受到关注，在催化和能源科学中显示出巨大的前景。然而，基于此类材料的高效催化体系的精确设计和合成仍然面临许多困难，特别是如何控制结构确定、高活性、原子尺度分布的材料体系的制备。
基于此，中国科学院化学研究所李玉良院士和山东大学薛玉瑞教授等人报道了在2D石墨炔（GDY）材料表面成功地、可控地自组织了一层厚度为单原子大小的高活性零价锇（Os）单原子层（Os/GDY）。测试发现，其在电流密度为500 mA cm-2时过电位仅为49 mV，特定j0为18.6 mA cm-2，周转频率为3.89 H2 s-1。此外，sp-C-Os键的形成保证了在碱性模拟海水中500 mA cm-2大电流密度下表现出800 h的稳定性。通过DFT计算，作者研究了Os/GDY上氢气吸附的优化模型。H2吸附的吉布斯自由能（ΔGH*）计算表明，Os/GDY上的Os原子具有较强的催化活性，其ΔGH*值较小。投影态密度（PDOS）计算，Os/GDY具有金属性质，表明GDY与Os之间的特定不完全电荷转移可以有效调节催化剂的电子结构，优化H的吸附/解吸行为，从而提高其本征活性。作者模拟了Os/GDY在碱性海水中的整个HER过程。首先，一个H2O分子稳定吸附在Os/GDY上，吸附自由能（ΔGH2O*）为负，为-0.96 eV。吸附的H2O*分子随后解离成(H-OH)*物种。生成的OH*随后从催化剂表面解吸，随后H*偶联生成H2。结果表明，不完全电荷转移效应的关键作用，金属原子的零价态可以促进催化剂表面H*的吸附/解吸行为的优化，从而获得较高的本征催化活性。Self-Organized Gradually Single-Atom-Layer of Metal Osmium for an Unprecedented Hydrogen Production from Seawater. J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.4c00027.
