電催化水分解產(chǎn)氫是一種將可再生電能轉(zhuǎn)化為清潔化學(xué)燃料的有效途徑。在堿性介質(zhì)中，由于水分解緩慢、氫吸附/解吸能壘高以及物質(zhì)/電荷轉(zhuǎn)移速率低等原因，析氫反應(yīng)(HER)動(dòng)力學(xué)緩慢，導(dǎo)致過(guò)電位升高。因此，工業(yè)電解槽通常在高KOH濃度(20-40 wt%)和高溫(40-80 °C)下運(yùn)行以提高電解效率。然而，這種方法需要更耐用和高活性的電極材料，可以承受嚴(yán)苛的條件，特別是在大電流密度(> 400 mA cm-2)下工作。因此，有必要采用組成和形態(tài)工程對(duì)催化劑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)在工業(yè)條件下高效析氫。
近日，南開(kāi)大學(xué)袁忠勇課題組在泡沫Ni上構(gòu)建晶態(tài)Ni2P團(tuán)簇/非晶態(tài)NiMoOx納米棒異質(zhì)結(jié)(Ni2P-NiMoOx/NF)，通過(guò)協(xié)同活化增強(qiáng)物質(zhì)/電荷轉(zhuǎn)移，調(diào)節(jié)反應(yīng)能壘并改善反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。性能測(cè)試結(jié)果顯示，Ni2P-NiMoOx/NF催化劑在10、100和500 mA cm?2電流密度下的HER過(guò)電位分別為91、188和297 mV，并具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。此外，基于Ni2P-NiMoOx/NF的電解槽僅需1.66和2.08 V的電池電壓就能達(dá)到100和400 mA cm?2的電流密度，并且其在工業(yè)測(cè)試條件下(65°C，30%KOH)能夠持續(xù)穩(wěn)定電解達(dá)100小時(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和密度泛函理論(DFT)計(jì)算表明，Ni2P和NiMoOx之間的相互作用促進(jìn)了d帶中心下移，從而優(yōu)化了局域電子結(jié)構(gòu)；無(wú)定形的NiMoOx在堿性電解液中通過(guò)Volmer反應(yīng)加速水分子解離生成H*，而Ni2P物種作為后續(xù)H*吸附和通過(guò)Heyrovsky反應(yīng)脫附的活性中心，二者協(xié)同促進(jìn)水的解離，提高了整體催化活性。總的來(lái)說(shuō)，該項(xiàng)工作通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算詳細(xì)闡述了Ni2P和NiMoOx協(xié)同催化水分解產(chǎn)氫的機(jī)理，這為設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)應(yīng)用于工業(yè)條件下分解水制氫的高效穩(wěn)定的催化劑提供了指導(dǎo)。Synergistic Activation of Crystalline Ni2P and Amorphous NiMoOx for Efficient Water Splitting at High Current Densities. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c01885
