利用間歇性太陽能或風(fēng)能的可再生電力驅(qū)動堿性水電解是一種商業(yè)上可行的制氫技術(shù)，但是很少有非貴金屬雙功能催化劑在大電流密度下用于HER和OER，同時具有優(yōu)異的催化效率和穩(wěn)定性，特別是對于鐵基催化劑。
基于此，湖南師范大學(xué)周海青教授和余芳教授、安徽師范大學(xué)盛天博士（共同通訊作者）等人報道了一種原位構(gòu)建的具有雙功能催化活性的自支撐Fe2P/Co2N多孔異質(zhì)結(jié)陣列，在電流密度為500 mA cm?2下HER和OER的過電位分別為131和283 mV，優(yōu)于已報道的大多數(shù)非貴金屬雙功能電催化劑。其還表現(xiàn)出優(yōu)異的整體水分解活性，分別需要1.561和1.663 V的低電壓即達到100和500 mA cm?2，并在1 M KOH中具有優(yōu)異的耐久性。最重要的是，其在電流密度為500 mA cm?2下也能穩(wěn)定120 h，明顯優(yōu)于IrO2(+)//Pt(?)耦合的貴金屬電極，是已報道的最好的雙功能催化劑之一。為了解HER的動力學(xué)機制，作者對Fe2P/Co2N和CoP/Co2N（P-Co2N）兩種催化劑進行了DFT計算，具有周期邊界的Fe2P/Co2N和CoP/Co2N界面理論模型。根據(jù)HER機制，在第一個Volmer步驟中，一個H2O分子在催化劑表面的活性位點（M-H*）上解離為一個被吸附的氫，然后通過M-H*與第二個H2O分子的耦合生成氣態(tài)氫分子，強烈依賴于H*結(jié)合能（ΔGH*）。作者還計算了H*在催化劑表面的吸附能。Fe2P/Co2N異質(zhì)結(jié)的界面Fe位點上的ΔGH*值約為-0.29 eV，遠(yuǎn)小于CoP/Co2N的-0.45 eV。Fe2P/Co2N異質(zhì)結(jié)上ΔGH*的大幅降低，表明異質(zhì)結(jié)周圍H*的吸附能力得到優(yōu)化，有利于提高催化劑的析氫性能，進一步說明Fe2P/Co2N雜化產(chǎn)物的Fe原子是水解離和H吸附的真正活性位點，活化勢壘較低。結(jié)果表明，F(xiàn)e2P/Co2N異質(zhì)結(jié)的Fe2P和Co2N之間的界面相互作用有利于有效吸附H*，從而促進反應(yīng)動力學(xué)。Engineering Active Iron Sites on Nanoporous Bimetal Phosphide/Nitride Heterostructure Array Enabling Robust Overall Water Splitting. Adv. Funct. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adfm.202209465.https://doi.org/10.1002/adfm.202209465.
