電解水是一種大規(guī)模生產(chǎn)氫氣的可行策略。目前，一些貴金屬(Ir和Ru)被廣泛用作商業(yè)電催化劑。然而，由于貴金屬具有價(jià)格高、極度稀缺的特點(diǎn)，其工業(yè)應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后。因此在文獻(xiàn)中，大量的研究集中在探索非貴金屬催化劑的利用。然而，非貴金屬催化劑的工作環(huán)境與相應(yīng)的析氫反應(yīng)(HER)和析氧反應(yīng)(OER)不匹配。因此，探索具有低過電位和長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性的雙功能電催化劑是非常必要的。

基于此，沈陽工業(yè)大學(xué)武祥等人通過多步生長(zhǎng)途徑合成了枝狀CoP@NiCo-LDH異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑，該催化劑也不負(fù)眾望的展現(xiàn)出了優(yōu)異的催化性能。

基于電化學(xué)測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，CoP@NiCo LDH-100在電流密度為10 mA cm^-2時(shí)的過電位僅為62 mV，這遠(yuǎn)低于CoP(η₁₀=104 mV)和NiCo LDH(η₁₀=130 mV)。更加重要的是，CoP@NiCo LDH-100催化劑在高電流密度(115 mA cm^-2)下的性能優(yōu)于Pt/C電極。

同時(shí)，該復(fù)合材料的OER性能(η₅₀=225 mV)也優(yōu)于商業(yè)IrO₂電催化劑(η₅₀=310 mV)。CoP@NiCo LDH-100催化劑表現(xiàn)出較好的催化活性，這與兩種組分之間的協(xié)同作用和豐富的活性位點(diǎn)有關(guān)。

基于CoP@NiCo LDH-100優(yōu)異的HER和OER活性，本文進(jìn)一步研究了催化劑的全解水性能。當(dāng)CoP@NiCo LDH-100同時(shí)作為陰極和陽極催化劑時(shí)，CoP@NiCo LDH-100||CoP@NiCo LDH-100達(dá)到50 mA cm^-2的電流密度僅需要1.52 V的電壓，這比其他催化劑都低。此外，催化劑生成的H₂和O₂的體積比(H₂:O₂=2:1)接近理論值，這說明催化劑的法拉第效率幾乎為100%。

之后，本文通過電子密度差解釋了催化劑的電子轉(zhuǎn)移。可以注意到CoP@NiCo LDH-100催化劑的H原子可以帶走Ni原子的外層電子，然而與Ni配位的H原子在界面處相對(duì)較少。因此，電荷密度的增加有助于增強(qiáng)催化劑的氫吸附能力。

然后，本文利用態(tài)密度研究了Co原子的電子結(jié)構(gòu)，揭示了催化劑電催化活性增強(qiáng)的機(jī)理。計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，CoP@NiCo LDH-100在費(fèi)米能級(jí)處的PDOS值高于CoP，這表明復(fù)合材料在催化過程中可以提供大量的電子，這證明了催化劑的電子導(dǎo)電性增強(qiáng)。此外，催化劑的d帶中心分別為1.67(CoP)和1.13 eV(CoP@NiCo LDH-100)，d帶中心的上移表明H脫附能和反鍵能增強(qiáng)，這有利于優(yōu)化ΔG_H*。

計(jì)算后還發(fā)現(xiàn)，CoP@NiCo LDH-100的ΔG_H*為1.11 eV，明顯低于CoP(2.62 eV)。這些結(jié)果表明，CoP@NiCo LDH-100的H^*吸附動(dòng)力學(xué)很好的優(yōu)化了其HER性能。反應(yīng)能壘的顯著降低表明H的脫附也得到了優(yōu)化，這進(jìn)一步提高了催化劑的催化活性。本文的工作表明，調(diào)節(jié)氫的吸附能可以大大提高電催化劑的本征活性。

Realizing Efficient Electrochemical Overall Water Electrolysis through Hierarchical CoP@NiCo-LDH Nanohybrids, Nano Energy, 2023, DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108681.

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108681.