电催化水分解产氢是一种将可再生电能转化为清洁化学燃料的有效途径。在碱性介质中，由于水分解缓慢、氢吸附/解吸能垒高以及物质/电荷转移速率低等原因，析氢反应(HER)动力学缓慢，导致过电位升高。因此，工业电解槽通常在高KOH浓度(20-40 wt%)和高温(40-80 °C)下运行以提高电解效率。然而，这种方法需要更耐用和高活性的电极材料，可以承受严苛的条件，特别是在大电流密度(> 400 mA cm-2)下工作。因此，有必要采用组成和形态工程对催化剂进行结构设计，以实现在工业条件下高效析氢。
近日，南开大学袁忠勇课题组在泡沫Ni上构建晶态Ni2P团簇/非晶态NiMoOx纳米棒异质结(Ni2P-NiMoOx/NF)，通过协同活化增强物质/电荷转移，调节反应能垒并改善反应动力学。性能测试结果显示，Ni2P-NiMoOx/NF催化剂在10、100和500 mA cm−2电流密度下的HER过电位分别为91、188和297 mV，并具有优异的稳定性。此外，基于Ni2P-NiMoOx/NF的电解槽仅需1.66和2.08 V的电池电压就能达到100和400 mA cm−2的电流密度，并且其在工业测试条件下(65°C，30%KOH)能够持续稳定电解达100小时。实验结果和密度泛函理论(DFT)计算表明，Ni2P和NiMoOx之间的相互作用促进了d带中心下移，从而优化了局域电子结构；无定形的NiMoOx在碱性电解液中通过Volmer反应加速水分子解离生成H*，而Ni2P物种作为后续H*吸附和通过Heyrovsky反应脱附的活性中心，二者协同促进水的解离，提高了整体催化活性。总的来说，该项工作通过实验和理论计算详细阐述了Ni2P和NiMoOx协同催化水分解产氢的机理，这为设计和开发应用于工业条件下分解水制氢的高效稳定的催化剂提供了指导。Synergistic Activation of Crystalline Ni2P and Amorphous NiMoOx for Efficient Water Splitting at High Current Densities. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c01885
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