【原】广西民族大学米艳等人Angew.：构建内置电场实现异质纳米线阵列的高效水电解！

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研究内容

太阳能和风能驱动的电化学整体水分解（OWS）被广泛认为是一种理想的无碳绿色氢气生产工业工艺。然而，整体水分解的缓慢反应动力学，特别是涉及多步质子耦合电子转移（PCET）的析氧反应（OER），通常会导致大的电池电压，从而显著限制了其广泛部署。所以，用于析氢和析氧反应的高效双功能电催化剂是水电解的关键。

广西民族大学米艳教授、悉尼大学赵慎龙和Cheng Yan报道了一种内置电场（BEF）策略，在碳纤维纸上生长具有大功函数差（ΔΦ）的异质磷化镍钴纳米线阵列（Ni₂P-CoCH/CFP）作为用于整体水分解的双功能电催化剂。结果显示，Ni₂P-CoCH/CFP对析氢和析氧反应表现出显著的催化活性，分别获得10 mA cm^-2。由AAA电池驱动的组装实验室规模电解槽在50小时的电催化后提供了优异的稳定性，具有100%的法拉第效率。相关工作以“Constructing Built-in Electric Field in Heterogeneous Nanowire Arrays for Efficient Overall Water Electrolysis”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

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研究要点

要点1. 作者首先通过精确控制连续水热磷化过程，将Ni₂P纳米颗粒整合到生长在碳纤维纸上的Co（CO₃）_0.5OH[CoCH]纳米线阵列中，作为HER和OER的双功能催化剂。各种光谱表征证实，制备的具有大ΔΦ的催化剂可以泵送电子从CoCH转移到Ni₂P，从而导致在界面处形成相对较强和稳定的BEF。

要点2. 在1.0 M KOH电解质中，对于HER和OER，Ni₂P-CoCH/CFP分别在62 mV和270 mV（vs RHE）的最低过电位下实现了10 mA cm^-2的基准电流密度。此外，配备有Ni₂P-CoCH/CFP作为阴极和阳极电极的实验室制造的电解槽需要1.53 V的创纪录的低电池电压才能在碱性下实现10 mA cm^-2，优于已报道的基于TM的双功能电催化剂。

要点3. 密度泛函理论（DFT）计算表明，具有不对称电荷分布的界面BEF可以产生更多的热中性氢吸附吉布斯自由能（ΔG_H*）增强HER，并降低速率决定的去质子化步骤的能垒（RDS，OH*→ O*+H⁺+e^-）来改善OER。

该工作通过精确构建和操纵界面BEF，为合理设计高效的双功能水分解电催化剂开辟了一条途径。

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研究图文

图1. a）Ni₂P-CoCH/CFP的合成过程示意图。b）Ni₂P-CoCH/CFP、CoCH/CFP和Ni₂P/CFP的XRD。Ni₂P-CoCH/CFP的c）SEM（插图：放大SEM），d）TEM，e）STEM，f）HRTEM，g）相应的快速傅立叶变换（FTT）模式和h）元素分布。

图2. a）Co 2p和b）Ni 2p的高分辨率XPS。c）STEM和EELS线扫描位置（黄点线）和方向（红点线）。d）Ni L_2，3-edge和e）Co L_2，3-edge的EELS光谱。f）UPS光谱和g）UV-VIS光谱。h）Ni₂P和CoCH的能带图。i）带状结构示意图。

图3. a）HER和OER的极化曲线。b）HER和OER在10 mA cm^-2和100 mA cm^-2下的过电位的比较。c）HER和d）OER的Tafel图。e）5000次循环后HER和OER的极化曲线。f）HER和g）OER的计时电位曲线和多计时电流曲线。

图4. a）CoCH、Ni₂P和Ni₂P-CoCH的优化配置的理论模型。b）Ni₂P-CoCH界面处的电荷密度差图。c）Ni₂P、CoCH和Ni₂P-CoCH的DOS。d）d波段中心的示意图。e）计算的H*吸附吉布斯自由能，以及f）氧中间体在Ni₂P、CoCH和Ni₂P-CoCH上的吸附能。g）Ni₂P、CoCH和Ni₂P-CoCH上OER中不同基本步骤的自由能比较。

图5. a）OWS极化曲线。b）在10 mA cm^-2下，Ni₂P-CoCH/CFP与已报道的双功能电催化剂的比较。c）组装好的电解槽在1.53 V下运行的计时电流曲线。d）组装好的电槽在10 mA cm_-2下产生的H₂和O₂量。e）比较Ni₂P-CoCH/CFP、Ni₂P/CFP和CoCH/CFP综合催化性能的雷达图。（f）Ni₂P-CoCH/CFP双功能电催化剂的HER和OER机制示意图。

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文献详情

Constructing Built-in Electric Field in Heterogeneous Nanowire Arrays for Efficient Overall Water Electrolysis

Shucong Zhang, Chunhui Tan, Ruipeng Yan, Xifei Zou, Fei-Long Hu, Yan Mi,* Cheng Yan,* Shenlong Zhao*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: 10.1002/anie.202302795