Chem. Eur. J. ：揭示适用电解水器件的高稳定性、高活性FeP基析氢电催化剂的金属掺杂效应

中国三峡集团王新宇等和北京化工大学庄仲滨教授、朱威副教授课题组联手，合成均匀分布的系列金属掺杂FeP纳米中空结构，构建了一套适用于理论模拟高通量筛选的高性能金属掺杂FeP基析氢反应（HER）催化剂可控合成体系，揭示组成优化后的Fe_0.67Co_0.33P/C高活性和高稳定性可能来源，实现了非贵金属阴极催化剂在电解水器件中的高效稳定工作（如图1所示）。

图1 催化剂制备到实际应用的示意图

质子交换膜水电解（PEMWE）能有效地将电能转化为氢气，不仅能以清洁稳定的高能量密度化学能形式储存可再生能源，还能为各种大规模加氢化工过程（如氨合成、甲醇合成、加氢裂化等）提供绿色氢源。它具有效率高、无碳排放、低污染等优点，是具有规模化应用前景的可持续能源转化技术之一。然而，现有的PEMWE需要在阳阴极两侧大量使用昂贵的贵金属催化剂，探索高活性和高稳定的非贵金属催化剂以满足PEMWE的性能要求是非常必要的。其中，过渡金属磷化物（TMPs）被认为是最具潜力的非贵金属HER材料，但仍存在着稳定性差等缺点，阻碍其在PEMWE器件的应用。

针对TMPs性能短板，本文基于此前发展的改良两步磷化法，合成了组成均匀的金属掺杂FeP，通过电化学测试得到相应的活性和稳定性，结合DFT计算筛选确定了Co是FeP基催化剂的最优掺杂元素。同时，通过DFT估算了不同金属掺杂FeP (M-FeP)基础晶面的氢结合能（HBE）值，发现不同晶面平均的HBE值与金属掺杂的HER活性具有关联关系，表明该体系高通量筛选掺杂金属的可行性。随后，通过Co/Fe比例的调控，得到了最优活性和稳定性的Fe_0.67Co_0.33P/C催化剂。当负载量为0.5 mg·cm^-2时，Fe_0.67Co_0.33P/C仅需67 mV的过电位就可获得10 mA·cm^-2的HER电流，并且在10小时的稳定性测试中基本保持初始活性。如图2所示，稳定性前后的XPS数据显示Co 2p谱没有发生明显的变化，说明Co作为稳定相的存在。进一步元素析出实验表明，合适的Co/Fe比例可以减少P和金属的析出，从而获得一个高活性和稳定的富磷表面。最后，将Fe_0.67Co_0.33P/C作为阴极催化剂用于PEMWE电解水器件中，发现该器件在2.0 V电压下获得0.8 A cm⁻²的电流密度，并在1000圈的加速应力测试后仍保持初始活性，表明该催化剂的器件应用前景。

图2 Fe_0.67Co_0.33P/C的(a) Fe 2p、(b) Co 2p和(c) P 2p稳定性前后的高分辨XPS谱；(d) ICP-MS测定的稳定性实验中Co-FeP/C样品的元素浸出量；(e) Co-FeP/C稳定活性的原理模型

本工作采用实验和理论相结合的研究方式，揭示了金属掺杂可以有效解决用于酸性介质的TMPs的HER催化剂的稳定性问题，为降低PEMWE的催化剂成本提供了可行思路。

论文信息

Unveiling the Metal Incorporation Effect of Steady-Active FeP Hydrogen Evolution Nanocatalysts for Water Electrolyzer

Yongsheng Wang, Xinyu Wang, Hailong Wei, Junling Huang, Likun Yin, Wei Zhu, Zhongbin Zhuang

Chemistry – A European Journal

DOI: 10.1002/chem.202202858