具有单原子厚度的二维结构是新一代具有独特物理化学性质的催化体系。由于单原子尺寸效应和金属原子与载体之间的强相互作用，以及金属原子的高质量负载，催化体系的稳定性、活性和效率大幅度提高。然而，对于目前开发的大多数合金/纳米结构纳米材料，只有少数暴露在表面的边缘位点在催化过程中是活跃的。具有完全活化的高密度金属原子的原子厚度二维纳米材料将表现出优异的性能。
然而，这些原子厚度的二维纳米材料由于实际的合成障碍而且容易将单层二维纳米材料聚集成密集堆叠的结构，目前仍缺乏有效的制备手段。因此，探索简单的合成方法，构建高密度负载活性位点和高活性及稳定性的二维纳米材料是非常必要的。理论预测表明，单原子厚度的零价金属在石墨炔(GDY)表面表现出完全活化的状态。基于此，中国科学院化学研究所李玉良和山东大学薛玉瑞等在二维GDY材料表面可控地自组装了一层具有单原子尺寸厚度的高活性零价Os单原子层(Os/GDY)，并研究了其电催化海水产氢性能。实验结果和密度泛函理论(DFT)计算表明，GDY与金属原子之间强烈的表面相互作用导致GDY表面具有高密度的电荷，从而优化了H*反应中间体吸附/脱附；此外，高活性的表面导致不完全的电荷转移效应，有效地驱动了催化过程，使反应自由能达到最佳，从而表现出高的催化活性和稳定性。在碱性模拟海水中，Os/GDY催化剂仅需77 mV的HER过电位就能达到1500 mA cm−2的电流密度；同时，该催化剂在50 mV的过电位下周转频率和质量活性分别为3.89 s−1和16.5 A mgOs−1，分别为商业Pt/C催化剂的32.4和217.1倍。此外，在7000次循环伏安(CV)测试中，Os/GDY的活性下降可忽略不计，测试后材料的形貌和结构仍保持良好，表明其在腐蚀性盐水电解液中具有较高的稳定性。综上，该项工作报道了一种控制制备结构确定、高活性、原子尺度分布材料体系的有效策略，为高效的单原子厚度二维材料的设计和开发以用于其他催化反应奠定了基础。Self-organized gradually single-atom-layer of metal osmium for an unprecedented hydrogen production from seawater. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c00027
