王晓磊/刘广义Nano Letters：构建CoP2/Mn3O4异质结，实现工业级电流下高效稳定水分解

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碱性电催化水分解制备高纯度绿色氢气被认为是减少对化石燃料的过度依赖和促进可持续发展的最有效和最有前途的方法。目前，该技术的大规模应用仍存在巨大挑战，包括：1.贵金属基电催化剂(如Ir、Ru、Pt)促进析氧反应(OER)和析氢反应(HER)的成本较高；2.电催化剂因聚集和腐蚀而失活导致效率下降；3.非贵金属基电催化剂在工业上的性能不理想，特别是在大电流下的整体水分解电压和耐久性。


目前的研究主要集中在开发高活性的非贵金属基催化剂，以促进缓慢的OER过程或同时促进HER和OER过程。虽然在提高碱性体系的催化活性和耐久性方面取得了重大进展，但大多数改进仅限于相对较低的电流密度，因此设计在工业环境下高电流密度的双功能催化剂是推动氢能从基础到实际应用的关键。
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基于此，阿尔伯塔大学王晓磊和中南大学刘广义等设计了一种由Mn3O4和CoP2组成的异质结纳米线阵列(MnO-CoP/NF)，通过调节协同传质和电子结构耦合多种纳米非均匀界面来实现在大电流密度下的水分解过程。
实验结果表明，MnO-CoP/NF催化剂表现出优异的双功能催化活性，其在500 mA cm−2电流密度下的HER和OER过电位分别为186.2和379.8 mV，并且其仅需259.5 mV的HER和392.2 mV的OER过电位电流密度就能分别达到1 A cm−2和1.5 A cm−2；并且该催化剂还能够在500 mA cm−2电流密度下稳定运行100小时。
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此外，以MnO-CoP/NF催化剂组装的水电解槽仅需1.60 V的电池电压就能产生100 mA cm−2的电流密度，优于商业RuO2||Pt/C水电解槽。实验结果和理论计算表明，MnO/CoP异质结构可以最大限度地提高关键中间体的吸附强度，从而降低水解离和氢吸附的能垒，显著提升电催化水分解的活性；并且，CoP2和Mn3O4之间存在的协同作用进一步提高了水分解的性能。
综上，该项工作证明了金属异质结构的设计与优化界面电子结构对于提高催化活性的重要意义，为高电流密度电催化剂的合理构建提供了理论依据。
A Highly Active and Durable Hierarchical Electrocatalyst for Large-Current-Density Water Splitting. Nano Letters, 2023. DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c02940




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