湖南师大ACS Nano：设计协同催化界面与多功能Fe位点实现高性能海水全水解

在环境恶化和能源危机时代，氢气具有较高的能量密度和接近零的碳排放，是未来最理想的化石燃料替代品。鉴于来自间歇性风能或太阳能等可再生电力，电解水是一种有前景的、无碳的绿色制氢装置。

碱性电解水涉及阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)，但是其催化效率很大程度上受到HER和OER电催化剂的低催化活性的阻碍。尽管双功能催化剂在降低制备成本等方面具有综合优势，但只有少数非贵金属催化剂在全水解方面表现出了卓越的双功能催化性能。

鉴于Fe是地球上最丰富、价格最低的过渡金属，湖南师范大学余芳和周海青(共同通讯)等人报道了一种可行的策略以制备锚定在具有丰富Fe位点的导电Ni₂P表面的多孔金属氮化物/磷化物异质结构阵列催化剂。

首先在1 M KOH淡水电解质中评估了制备的催化剂的OER电催化活性。Fe₂P/Ni_1.5Co_1.5N/Ni₂P催化剂表现出优异的OER催化活性，其过电位为190 mV(10 mA cm^-2)，比IrO₂、P-Ni_1.5Co_1.5N、Ni_1.5Co_1.5N和泡沫Ni等对比催化剂的过电位分别低80、120、107和149 mV。

值得注意的是，这种复合催化剂仅需要更小的过电位(220和260 mV)就可以分别达到100和500 mA cm^-2的大电流密度，甚至超过了迄今为止报道的许多OER或双功能催化剂。

此外，本文制备的催化剂也表现出非常出色的HER性能，Fe₂P/Ni_1.5Co_1.5N/Ni₂P在极低的过电位(14、76和124 mV)下达到10、100和500 mA cm^-2的电流密度，优于贵金属Pt(36、109和∼250 mV)、P-Ni_1.5Co_1.5N(52、132和201 mV)和Ni_1.5Co_1.5N(92、220和296 mV)。受碱性环境中催化剂优异的HER和OER性能的启发，本文进一步评估了Fe₂P/Ni_1.5Co_1.5N/Ni₂P在真实海水中的HER和OER性能。

令人印象深刻的是，Fe₂P/Ni_1.5Co_1.5N/Ni₂P在碱性天然海水中仍然表现出极好的催化活性，分别需要68/88/141 mV和240/255/307 mV的过电位来达到50/100/500 mA cm^-2的HER和OER电流密度。HER和OER性能以及电化学稳定性测试证实了Fe₂P/Ni_1.5Co_1.5N/Ni₂P在淡水/海水全水解方面的巨大潜力。

本文报告了一种制备多功能协同催化界面的可行策略，以开发锚定在具有丰富Fe位点的导电Ni₂P表面的多孔金属氮化物/磷化物异质结构阵列催化剂。

HER的理论计算表明，Fe₂P具有优异的氢吸附自由能(-0.306 eV)，Fe1具有最大的水分子吸附自由能(-2.75 eV)，即异质结构中的Fe1和Fe2分别具有良好的水分子吸附自由能和中间态吸附自由能。

与纯Fe₂P上的Fe位点相比，引入双金属氮化物作为导电载体对Fe位点的水分子吸附起到了重要的改善作用。过渡金属氮化物是很好的OER催化剂，可以促进Fe₂P表面吸附水以及脱附的缓慢动力学，从而大大增强Fe₂P与Ni_1.5Co_1.5N界面上Fe位点的析氢动力学。

总之，磷化铁、双金属氮化物和多孔Ni₂P载体之间的协同催化界面对改善活性Fe位点的水吸附和脱附以及氢吸附行为有积极作用，对提高OER中含氧物质的吸附和抗氯化物腐蚀的富硝酸盐钝化层也具有增强作用。本文提出了一种有效的提高催化剂海水电解制氢催化效率的策略。

Engineering multilevel collaborative catalytic interfaces with multifunctional iron sites enabling high-performance real seawater splitting, ACS Nano, 2023, DOI: 10.1021/acsnano.2c11844.

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c11844.