KAUST张华彬课题组AM: 无定型/结晶相界面电子结构优化增强碱性HER

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共同一作：黄华伟，徐亮亮

通讯作者：张华彬
通讯单位：沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）
论文DOI：https://doi.org/10.1002/adma.202405128
背景介绍
在碱性电解水制氢技术（AWE）和阴离子交换膜电解水制氢技术（AEMWE）中，阴极的析氢反应（HER）由于水解离步骤的高能量障碍，显著限制了其效率。然而，碱性环境下的析氢反应速度较酸性环境下的析氢反应慢。因此，开发高效、稳定的非贵金属催化剂，对于实现可持续的氢气生产至关重要。    
本工作通过相工程策略构建了由晶态Ni4W和无定形WOx组成的异质结构，以提升碱性HER催化性能。该工作系统调控了无定形WOx中钨的氧化态，以调整相边界的电子状态、降低水解离步骤的能量障碍，并优化中间体在碱性析氢反应过程中的吸附/脱附特性。优化后的催化剂（Ni4W/WOx-2）具有较少的氧原子配位的准金属态的钨，表现出了优异的碱性HER性能（22 mV@10 mA cm−2）。此外，结合原位同步辐射表征技术和理论计算分析揭示了优化后的无定形WOx中的钨原子是水解离的活性位点，而晶态Ni4W中的镍原子促进了氢气的释放。这些发现为设计高效的异质结构材料提供了宝贵的见解，表明晶态/无定形异质结构材料设计在提升能源存储和转换技术方面具有巨大潜力。
本文亮点
1. 实现了通过晶态/无定形异质结构中单组分氧化态调控优化界面电子结构
2. 揭示了晶态/无定形异质结构在碱性HER催化过程中的活性成分和反应机制
图文解析
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Figure 1. 催化剂的结构表征
HAADF-STEM, HRTEM证实了Ni4W/WOx晶态/无定形异质结构。    
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Figure 2. 催化剂中Ni、W电子结构分析
同步辐射X射线吸收光谱（XAS）分析结果证实我们实现了Ni4W/WOx晶态/无定形异质结构中WOx物种的单组分氧化态调变。    
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Figure 3. 碱性HER催化性能测试
通过调变单组分无定型WOx的氧化态可优化Ni4W/WOx晶态/无定形异质结构的碱性HER性能，最优性能可达到22 mV@10 mA cm−2。    
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Figure 4. 机理研究和理论计算
理论计算结果表明通过调变WOx单组分的氧化态可以优化Ni4W/WOx晶态/无定形界面电子结构，是碱性HER过程中水分解能垒大大降低，适量氧配位的准金属态WOx与Ni4W形成的界面对于碱性HER具有最高的本征催化活性。           
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Figure 5. 原位同步辐射及理论计算分析
通过原位同步辐射表征技术和理论计算分析发现，优化后的无定形WOx中的钨原子是水解离过程中的活性位点，而晶态Ni4W中的镍原子则有助于氢气的释放。
总结与展望
综上所述， 本研究工作通过相工程策略成功构建了由晶态Ni4W和无定形WOx组成的异质结构催化剂，并通过调控无定形WOx中钨的氧化态，实现了相边界电子状态的优化。优化后的催化剂Ni4W/WOx-2在碱性析氢反应中展现了优越的催化性能，表现优于商业Pt/C催化剂。这些结果通过实时X射线吸收光谱分析和理论计算得到了验证，揭示了钨原子在水解离中的关键作用和镍原子在氢气释放中的辅助作用。这项研究为设计高效的异质结构催化剂提供了新的思路，展示了晶态/无定形材料在提升催化性能方面的巨大潜力。    
通讯作者简介
张华彬教授简介：2020年12月加入阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）, 化学科学系，担任独立PI, 博士生导师。曾荣获得国家高层次青年人才和中科院百人计划等称号。张华彬博士于2013年于中国科学院获得博士学位，同年于中国科学院担任助理研究员。2014年至2017年于日本国立物质研究所进行博士后研究。并于2017年3月份加入新加坡南洋理工大学(Research fellow)。长期致力于构筑单原子催化剂在能源转化与环境优化领域的应用。目前已发表论文/专著章节150余篇，文章引用次数17000余次，H因子67。其中多篇文章以第一/通讯作者发表在Sci. Adv., PNAS, Joule, Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Energy等国际著名期刊。
课题组介绍
https://acse.kaust.edu.sa/
Advanced Catalysis of Sustainable Energy (ACSE), headed by Huabin Zhang (Assistant Professor of Chemistry) in the KAUST Catalysis Center.
Lab of ACSE focuses on the development of single-atom catalysts with the particular configuration for sustainable energy conversion, including photocatalysis, electrocatalysis, and thermal catalysis. Our research also extends to the operando investigation for monitoring the structural evolution of the reactive centers, as well as the mutual interaction between the reactive center and reactant in the catalytic process.


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