氫能被認為是化石燃料的理想替代品，在能源轉換過程中發揮著重要作用。氫能源的大規模應用可以減少碳排放，對能源利用的各個方面將產生革命性的影響。

目前，電化學全解水(EWS)被認為是最綠色和可持續的制氫方法，并且EWS還可以促進可再生能源的高效使用和能源的再分配，增強能源系統的彈性。因此，設計和合成高效的全解水催化劑已引起世界各國的廣泛關注。

基于此，鄭州大學彭鵬和臧雙全(共同通訊)等人通過無熱解途徑制備了具有單原子活性位點的雙功能催化劑。該策略主要是從含有Fe位點的共軛骨架開始，通過加入Ni原子來削弱催化劑對電化學中間體的吸附，從而使得催化劑具有更優的能級和更強的催化性能。

本文的研究發現，隨著Ni的引入，CPF-Fe/Ni在較寬的pH范圍內均表現出良好的HER和OER活性。

本文在典型的三電極體系中，通過比較CPF-Fe/Ni和對比催化劑(碳布、CPF-Fe、CPF-Ni、RuO₂和20% Pt/C)的線性掃描伏安曲線(LSV)評估了CPF-Fe/Ni的電催化活性。值得注意的是，在0.5 M H₂SO₄和1 M KOH中，具有雙金屬位點的CPF-Fe/Ni比純CPF-Fe和CPF-Ni表現出更好的HER活性。

CPF-Fe/Ni在接近0 mV的起始電位下獲得了良好的HER活性，并且在電流密度為10 mA cm^-2時，其在0.5 M H₂SO₄和1 M KOH中的過電位僅分別為23 mV和42 mV，這遠遠低于純CPF-Fe(在0.5 M H₂SO₄中為743 mV，在1 M KOH中為202 mV)和CPF-Ni(在0.5 M H₂SO₄中為165 mV，在1 M KOH中為161 mV)。

此外，根據極化曲線計算出的相應的Tafel斜率圖也表明，CPF-Fe/Ni在0.5 M H₂SO₄和1 M KOH中的Tafel斜率相對較小，分別為82.6 mV dec^-1和94.1 mV dec^-1。

根據研究結果可以發現，純Fe位點的催化劑的HER活性很差，而純Ni位點的催化劑的活性也很有限。因此，Ni和Fe位點的結合產生了電子結構，導致CPF-Fe/Ni具有良好的HER催化活性。本文在相同的酸性和堿性溶液(0.5 M H₂SO₄和1 M KOH)中繼續研究了催化劑的OER性能，而CPF-Fe/Ni同樣表現出優異的催化活性。在0.5 M H₂SO₄和1 M KOH中，CPF-Fe/Ni在10 mA cm^-2下的過電位分別為201 mV和194 mV，遠低于20% Pt/C和RuO₂。此外，CPF-Fe/Ni的Tafel斜率也比純CPF-Fe和CPF-Ni低得多，這表明其在OER過程中有更好的動力學。綜上所述，雙金屬位點的存在可以有效地調節CPF-Fe/Ni的催化中心，通過協同作用使CPF-Fe/Ni在全水解過程中的催化性能大大提高。

更加重要的是，即使在0.05 M H₂SO₄、0.01 M KOH和1 M KCl中，CPF-Fe/Ni也顯示出非常小的過電位(10 mA cm^-2)。此外，本文還利用CPF-Fe/Ni組成了雙電極系統并測試了該系統的全水解性能。令人驚喜的是，該雙電極系統在0.5 M H₂SO₄和1 M KOH溶液中分別以1.44 V和1.57 V的電勢達到了10 mA cm^-2的電流密度。這些結果表明，CPF-Fe/Ni作為催化劑在較寬的pH范圍內具有較高的全水解效率。

根據本文的研究結果可以發現，Ni的引入有效的提升了催化劑的催化劑活性。為了研究Ni對CPF-Fe/Ni的作用機制，本文采用計算氫電極(CHE)模型估算了CPF-Fe/Ni的OER和HER活性。從自由能曲線可以看出，CPF-Fe上的OER活性受到^*OOH→O₂(△G=2.04 eV)的限制，這是由中間體的強吸附引起的。加入Ni原子后，CPF-Fe/Ni對中間產物的吸附減弱，△G為1.81 eV，同時優化了能級。

此外，計算得到CPF-Fe/Ni的過電位(0.58 V)低于純CPF-Fe(0.81 V)，這表明CPF-Fe/Ni具有更高的OER活性。同時，對于HER，CPF-Fe/Ni也表現出了較好的活性。由于在OER和HER過程中，催化劑對中間體的弱吸附是其高活性的關鍵因素，因此本文對CPF-Fe/Ni和CPF-Fe的電子結構進行了研究，以探究中間體弱吸附的機理。

研究發現，在Fe-3d的PDOS中，自旋向上的部分顯示出明顯的帶隙，而自旋向下的部分是導電的。對于CPF-Fe/Ni，在-2~+1 eV處的峰變窄，尤其是在+0.6 eV處的峰。而引入Ni原子后，靠近費米能級的Fe-3d變得更加局域化，導致Fe-3d軌道中的電子轉移減少，從而減弱了CPF-Fe/Ni的吸附作用，提高了活性。

此外，差分電荷結果還顯示，不同層中的Fe之間發生了電子轉移，而Fe與Ni之間沒有相互作用。總之，本文的工作提出了一種適用于制備在較寬的pH范圍內能實現高效EWS的催化劑的策略，并成功展示了用于機理研究的模型催化劑。

A Pyrolysis-Free Ni/Fe Bimetallic Electrocatalyst for Overall Water Splitting, Nature Communications, 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-37530-9.

https://www.nature.com/articles/s41467-023-37530-9.