将可再生能源转化为清洁、可储存的燃料在满足全球能源需求同时减少对环境的影响方面发挥着至关重要的作用。电催化水分解是这一领域的关键技术，其具有可持续制氢和推进碳中和能源战略的巨大潜力。工业规模的电解水产氢的部署需要高效、稳定和具有成本效益的催化剂，以及强大的膜电解池的开发。其中，电催化剂的设计和优化直接影响电解制氢的效率和工业化发展。在电催化水分解过程中，碱性介质中的H2O和OH−具有极性和偶极性矩，调节界面电场可以优化吸附反应物的结合能，从而影响催化效率。此外，界面电场的调制可以改变表面极性，促进H2/O2的逸出来迅速暴露被占据的活性位点。基于此，山东大学陈代荣和夏玉国等将FeOx团簇固定在Co0.75Fe0.25P双金属磷化物纳米棒上(FeOx@Co0.75Fe0.25P)，探讨了团簇形态对表面电场分布的影响，并同时探索了OH−/H2O的吸附动力学。COMSOL多物理场有限元模拟证实，FeOx@Co0.75Fe0.25P上簇更容易吸附OH−离子，而纳米棒表面主要吸附H2O分子，共同增强OH−/H2O吸附动力学。同时，模拟结果也从侧面证实界面电场可以通过电催化剂的拓扑结构来调节。特别是，局部界面电场调节可以显著改善OH−/H2O吸附的初始非法拉第过程，尤其是在极化电流密度较大的情况下，这可能使OH−/H2O吸附的非法拉第过程成为电催化水分解的速率决定步骤。此外，电化学表征和理论计算表明，FeOx@Co0.75Fe0.25P的增强电催化水分解性能主要是由于增强的电场促进的吸附现象，而不是中心活性中心的价态和配位几何形状的改变，这进一步突出了碱电解中OH−/H2O吸附的非法拉第过程的重要性。性能测试结果显示，FeOx@Co0.75Fe0.25P电催化剂在双电极电解槽和MEA电解槽中表现出优异的性能。在MEA电解槽中，FeOx@Co0.75Fe0.25P电极对在60 °C和6.0 M KOH工业环境下的仅需1.73 V的电池电压就可以达到1.0 A cm−2的电流密度，能量转换效率为71%，优于大多数基准碱性水分解电催化剂。此外，研究人员在Co0.75Fe0.25P纳米片上锚定不同的团簇，这些催化剂的性能都得到类似的增强，证实了这种策略的广泛适用性。总的来说，该项工作所提出的拓扑结构诱导的表面电场增强效应超越了传统电荷转移理论的固有局限性，为调节材料在电催化剂/电解质界面上的吸附提供了新策略。Field-effect enhancement of non-faradaic processes at interfaces governs electrocatalytic water splitting activity. Advanced Science, 2024. DOI: 10.1002/advs.202403206
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