堿性電催化水分解制備高純度綠色氫氣被認為是減少對化石燃料的過度依賴和促進可持續(xù)發(fā)展的最有效和最有前途的方法。目前，該技術的大規(guī)模應用仍存在巨大挑戰(zhàn)，包括：1.貴金屬基電催化劑(如Ir、Ru、Pt)促進析氧反應(OER)和析氫反應(HER)的成本較高；2.電催化劑因聚集和腐蝕而失活導致效率下降；3.非貴金屬基電催化劑在工業(yè)上的性能不理想，特別是在大電流下的整體水分解電壓和耐久性。
目前的研究主要集中在開發(fā)高活性的非貴金屬基催化劑，以促進緩慢的OER過程或同時促進HER和OER過程。雖然在提高堿性體系的催化活性和耐久性方面取得了重大進展，但大多數(shù)改進僅限于相對較低的電流密度，因此設計在工業(yè)環(huán)境下高電流密度的雙功能催化劑是推動氫能從基礎到實際應用的關鍵。基于此，阿爾伯塔大學王曉磊和中南大學劉廣義等設計了一種由Mn3O4和CoP2組成的異質結納米線陣列(MnO-CoP/NF)，通過調節(jié)協(xié)同傳質和電子結構耦合多種納米非均勻界面來實現(xiàn)在大電流密度下的水分解過程。實驗結果表明，MnO-CoP/NF催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的雙功能催化活性，其在500 mA cm?2電流密度下的HER和OER過電位分別為186.2和379.8 mV，并且其僅需259.5 mV的HER和392.2 mV的OER過電位電流密度就能分別達到1 A cm?2和1.5 A cm?2；并且該催化劑還能夠在500 mA cm?2電流密度下穩(wěn)定運行100小時。此外，以MnO-CoP/NF催化劑組裝的水電解槽僅需1.60 V的電池電壓就能產生100 mA cm?2的電流密度，優(yōu)于商業(yè)RuO2||Pt/C水電解槽。實驗結果和理論計算表明，MnO/CoP異質結構可以最大限度地提高關鍵中間體的吸附強度，從而降低水解離和氫吸附的能壘，顯著提升電催化水分解的活性；并且，CoP2和Mn3O4之間存在的協(xié)同作用進一步提高了水分解的性能。綜上，該項工作證明了金屬異質結構的設計與優(yōu)化界面電子結構對于提高催化活性的重要意義，為高電流密度電催化劑的合理構建提供了理論依據(jù)。A Highly Active and Durable Hierarchical Electrocatalyst for Large-Current-Density Water Splitting. Nano Letters, 2023. DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c02940
