電化學(xué)水分解產(chǎn)生的氫能被認(rèn)為是替代化石燃料的可持續(xù)和環(huán)境友善的能源。在眾多制氫技術(shù)中，產(chǎn)氫率高、低腐蝕性的陰離子交換膜(AEM)電解槽引起人們的廣泛研究興趣。然而，與酸性電解質(zhì)(2*H+2e?→H2+*)中的直接質(zhì)子偶聯(lián)電子反應(yīng)不同，在堿性條件下需要額外的水解離步驟(*H2O+e?→*H+OH?)才能為析氫反應(yīng)(HER)提供有效的質(zhì)子。
同時，由于H-OH鍵斷裂的高能壘，即使Pt基電催化劑在堿性電解質(zhì)中的活性也比在酸性數(shù)量級中低約兩至三個數(shù)量級。因此，研究高效和低成本的催化劑來促進H-OH鍵的斷裂對堿性HER反應(yīng)具有重要意義。近日，南京師范大學(xué)付更濤和唐亞文等采用電沉積的方法，將氧化銪(Eu2O3)與NiCo合金結(jié)合，設(shè)計了一種高效的堿性HER催化劑(Eu2O3-NiCo)。隨著Eu2O3的引入，成功地構(gòu)建了親密接觸的Eu2O3-NiCo異質(zhì)界面，這有利于界面上的電子重分布。實驗結(jié)果表明，所得到的Eu2O3-NiCo催化劑表現(xiàn)出出色的HER活性，在堿性條件下，其達(dá)到10 mA cm-2電流密度所需的過電位僅為60 mV，超過了不含Eu2O3的NiCo(176mV)。此外，經(jīng)過2000次CV循環(huán)后，Eu2O3-NiCo仍保持較高的HER活性；并且，該催化劑在10 mA cm-2下連續(xù)運行24小時后僅發(fā)生輕微活性衰減，顯示出優(yōu)異的穩(wěn)定性。原位光譜表征和理論計算表明，Ni基催化劑由于缺乏H2O吸附和解離位點，在從H2O中提取H方面存在缺陷；Eu2O3位點顯示出較低的H2O吸附能，表明Eu2O3具有良好的界面親水性。同樣，在引入Eu2O3后，Eu2O3-NiCo也表現(xiàn)出熱力學(xué)自發(fā)水吸附能力。此外，對于Volmer步驟，在Eu2O3-NiCo位點處，H2O解離能低于Eu2O3，這可能歸因于Eu和NiCo位點之間的協(xié)同作用。因此，Eu2O3的強嗜氧性提供了額外的H2O吸附位點，促進了Eu2O3-NiCo界面上的H-OH鍵斷裂，加速了Volmer步驟；Eu2O3-NiCo異質(zhì)結(jié)的形成誘導(dǎo)了納米界面上的電子重分布，從而使反應(yīng)中間體的吸附能得到優(yōu)化，有助于提高Eu2O3-NiCo的堿性HER活性。綜上，該項工作為HER提供了一個有效的電催化劑，并揭示了稀土增強電催化性能的機理。Europium oxide evoked multisite synergism to facilitate water dissociation for alkaline hydrogen evolution. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202409324
