近日，Advanced Functional Materials在線刊發(fā)了華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院王春棟副教授團(tuán)隊(duì)關(guān)于低能耗電解水制氫的最新研究成果“Fluorinated Ni-O-C Heterogeneous Catalyst for Efficient Urea-Assisted Hydrogen production”。王春棟為論文唯一通訊作者，學(xué)院博士生許雪飛、英國(guó)埃克塞特大學(xué)Habib Ullah博士為論文共同第一作者，集成電路學(xué)院為論文第一完成單位。

圖1：催化劑制備流程

貴金屬基催化劑（如Pt、IrO2和RuO2）已被證明對(duì)UOR表現(xiàn)出高催化活性，但面臨著高成本和稀缺性的挑戰(zhàn)。

在非貴金屬材料中，Ni基催化劑（如Ni基合金、氧化物、氫氧化物、磷化物和硫化物）表現(xiàn)出較高的UOR氧化電流密度。其中，NiO由于環(huán)境友好、成本效益和高耐腐蝕性而備受關(guān)注。

然而，原始NiO的電催化活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能令人滿意。原因可能是Ni2+（t2g6eg2）具有高的eg占有率，導(dǎo)致與反應(yīng)中間體的強(qiáng)結(jié)合，不利于氣體產(chǎn)物的解吸。

為了優(yōu)化反應(yīng)中間體的吸附和解吸，研究者們開(kāi)發(fā)出一種界面工程策略。據(jù)報(bào)道，過(guò)渡金屬/過(guò)渡金屬氧化物（TM/TMO）異質(zhì)結(jié)可以削弱TMO對(duì)H*的吸收，進(jìn)而促進(jìn)堿性HER動(dòng)力學(xué)。

多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)賦予TM/TMO優(yōu)化的d帶中心，導(dǎo)致先進(jìn)的UOR活性。但是，NiO導(dǎo)電性較差，阻礙了界面處的電子傳輸。

圖2：氟摻雜提升NiO/Ni@C催化活性的機(jī)理解析

基于此，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種簡(jiǎn)單的有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化策略來(lái)制備F摻雜的NiO/Ni@C異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的NH4F分解方法不同，含氟有機(jī)物的分解可以避免有毒HF的產(chǎn)生，同時(shí)有效地實(shí)現(xiàn)F摻雜。

F-NiO/Ni@C僅需46mV的HER過(guò)電位以及1.31V的UOR電位，就在堿性介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)10mA cm?2的電流密度。

就尿素的整體分解而言，F(xiàn)-NiO/Ni@C || F-NiO/Ni@C電解槽在10和200mA cm?2下的電勢(shì)分別為1.37和1.57V，優(yōu)于最先進(jìn)的Pt/C || RuO2電池。

此外，整體尿素電解槽實(shí)現(xiàn)了94.86%的尿素降解率，是原始NiO/Ni@C的4.02倍。理論計(jì)算表明，F(xiàn)摻雜加速了電子從Ni向NiO的轉(zhuǎn)移，從而提升了NiO的本征催化活性，實(shí)現(xiàn)最佳的氫吸附吉布斯自由能和UOR能壘的降低。

此項(xiàng)工作是王春棟團(tuán)隊(duì)在電催化劑設(shè)計(jì)方向的階段性研究成果。團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事電催化相關(guān)探索，近兩年來(lái)在能源催化材料局域電子調(diào)控及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制研究方面取得了系統(tǒng)研究成果，并獲得2022年湖北省自然科學(xué)三等獎(jiǎng)（第一完成人）。





審核編輯：劉清