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?西工大AFM: 合理設(shè)計(jì)多異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工業(yè)堿水分解析氫

以可再生能源為動力的電催化水分解技術(shù)，作為一個有效和可持續(xù)的途徑，有利于緩解能源危機(jī)并促進(jìn)碳中和。然而，目前工業(yè)規(guī)模的堿水分解制氫由于缺乏高效穩(wěn)定的析氫反應(yīng)(HER)催化劑而導(dǎo)致高過電位和大Tafel斜率，影響了整體水分解效率。為了提高電解效率，工業(yè)電解通常采用高KOH濃度、高溫度和大電流密度進(jìn)行。然而，工業(yè)產(chǎn)氫過程中大量氣泡快速逃逸會產(chǎn)生巨大的機(jī)械力，使電極不斷剝落或剝離催化位點(diǎn)，從而導(dǎo)致在高電流密度下難以保持機(jī)械穩(wěn)定性。粉末催化劑采用了額外的粘合劑，以增強(qiáng)電極上的粘合力，但這阻礙了活性部位的暴露和電子轉(zhuǎn)移，從而削弱了催化活性。因此，在保持高活性的同時，設(shè)計(jì)直接集成在強(qiáng)力催化電極上的高效催化中心具有重要的意義。

近日，西北工業(yè)大學(xué)王洪強(qiáng)、徐飛和杜乘風(fēng)等采用一步電沉積策略，在Ni網(wǎng)上構(gòu)建多重異質(zhì)結(jié)構(gòu)過渡金屬磷化物催化劑(r-Mn-Ni/CoP)，以實(shí)現(xiàn)高電流密度下的超低HER過電位和長期穩(wěn)定性。在Mn-Ni/CoP材料中，CoP晶體、NiP晶體及其非晶區(qū)和Mn摻雜共同形成了多個異質(zhì)界面和雜原子摻雜，它們協(xié)同調(diào)節(jié)電子態(tài)，激活了更多的反應(yīng)位點(diǎn)，促進(jìn)物質(zhì)和電荷轉(zhuǎn)移；同時，原位表面重構(gòu)的親水性納米片能夠快速潤濕活性位點(diǎn)，進(jìn)一步增強(qiáng)產(chǎn)氫速率。此外，催化層與高強(qiáng)度Ni網(wǎng)載體之間的強(qiáng)界面結(jié)合提高了催化劑的優(yōu)異穩(wěn)定性。

結(jié)合以上優(yōu)點(diǎn)，在堿性條件下，所制備的r-Mn-Ni/CoP材料在100 mA cm^-2電流密度下的HER過電位僅為134 mV，并能夠在100 mA cm^-2電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行200 h，在10 mA cm^-2電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行1250 h。

此外，采用r-Mn-Ni/CoP作為陰極的電解槽在300 mA cm^-2下的電壓為1.734 V，在80 ° C、6 KOH的惡劣工業(yè)條件下也能以200 mA cm^-2的電流密度穩(wěn)定運(yùn)行40小時，這顯示出r-Mn-Ni/CoP催化劑在實(shí)際工業(yè)堿水電解中的非凡穩(wěn)定性和應(yīng)用前景。

綜上，該項(xiàng)工作提供了一種快速制備同時具有高機(jī)械穩(wěn)定性和活性的HER電催化劑的策略，也為研究實(shí)際工作條件下材料機(jī)械強(qiáng)度與催化性能之間的相關(guān)性提供了啟發(fā)。

Rational design of multiple heterostructures with synergistic effect for efficient and stable hydrogen evolution toward industrial alkaline water splitting. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202402298

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