將可再生能源轉(zhuǎn)化為清潔、可儲(chǔ)存的燃料在滿足全球能源需求同時(shí)減少對環(huán)境的影響方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。電催化水分解是這一領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，其具有可持續(xù)制氫和推進(jìn)碳中和能源戰(zhàn)略的巨大潛力。工業(yè)規(guī)模的電解水產(chǎn)氫的部署需要高效、穩(wěn)定和具有成本效益的催化劑，以及強(qiáng)大的膜電解池的開發(fā)。其中，電催化劑的設(shè)計(jì)和優(yōu)化直接影響電解制氫的效率和工業(yè)化發(fā)展。在電催化水分解過程中，堿性介質(zhì)中的H2O和OH?具有極性和偶極性矩，調(diào)節(jié)界面電場可以優(yōu)化吸附反應(yīng)物的結(jié)合能，從而影響催化效率。此外，界面電場的調(diào)制可以改變表面極性，促進(jìn)H2/O2的逸出來迅速暴露被占據(jù)的活性位點(diǎn)。
基于此，山東大學(xué)陳代榮和夏玉國等將FeOx團(tuán)簇固定在Co0.75Fe0.25P雙金屬磷化物納米棒上(FeOx@Co0.75Fe0.25P)，探討了團(tuán)簇形態(tài)對表面電場分布的影響，并同時(shí)探索了OH?/H2O的吸附動(dòng)力學(xué)。COMSOL多物理場有限元模擬證實(shí)，F(xiàn)eOx@Co0.75Fe0.25P上簇更容易吸附OH?離子，而納米棒表面主要吸附H2O分子，共同增強(qiáng)OH?/H2O吸附動(dòng)力學(xué)。同時(shí)，模擬結(jié)果也從側(cè)面證實(shí)界面電場可以通過電催化劑的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)。特別是，局部界面電場調(diào)節(jié)可以顯著改善OH?/H2O吸附的初始非法拉第過程，尤其是在極化電流密度較大的情況下，這可能使OH?/H2O吸附的非法拉第過程成為電催化水分解的速率決定步驟。此外，電化學(xué)表征和理論計(jì)算表明，F(xiàn)eOx@Co0.75Fe0.25P的增強(qiáng)電催化水分解性能主要是由于增強(qiáng)的電場促進(jìn)的吸附現(xiàn)象，而不是中心活性中心的價(jià)態(tài)和配位幾何形狀的改變，這進(jìn)一步突出了堿電解中OH?/H2O吸附的非法拉第過程的重要性。性能測試結(jié)果顯示，F(xiàn)eOx@Co0.75Fe0.25P電催化劑在雙電極電解槽和MEA電解槽中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。在MEA電解槽中，F(xiàn)eOx@Co0.75Fe0.25P電極對在60 °C和6.0 M KOH工業(yè)環(huán)境下的僅需1.73 V的電池電壓就可以達(dá)到1.0 A cm?2的電流密度，能量轉(zhuǎn)換效率為71%，優(yōu)于大多數(shù)基準(zhǔn)堿性水分解電催化劑。此外，研究人員在Co0.75Fe0.25P納米片上錨定不同的團(tuán)簇，這些催化劑的性能都得到類似的增強(qiáng)，證實(shí)了這種策略的廣泛適用性。總的來說，該項(xiàng)工作所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的表面電場增強(qiáng)效應(yīng)超越了傳統(tǒng)電荷轉(zhuǎn)移理論的固有局限性，為調(diào)節(jié)材料在電催化劑/電解質(zhì)界面上的吸附提供了新策略。Field-effect enhancement of non-faradaic processes at interfaces governs electrocatalytic water splitting activity. Advanced Science, 2024. DOI: 10.1002/advs.202403206
