氫氣(H₂)因其高能量密度、燃燒后的產物(如水)無污染、環(huán)保等優(yōu)點，被認為是一種有前景的清潔能源。通過水或更具挑戰(zhàn)性的海水電解產生氫氣被認為是有前景的和可持續(xù)發(fā)展的技術。海水電解制氫具有資源取之不盡(占水資源總量的96.5%)，可與海洋相關的可再生能源技術容易結合等優(yōu)點，受到了越來越多的研究。

然而，海水電解面臨著一定的挑戰(zhàn)，例如復雜的離子化學和不溶性的副產物(如Mg(OH)₂)會降低電極的活性。更重要的是，海水中的氯離子(Cl^–)會腐蝕電極。除了嚴重的與腐蝕相關的問題外，氯析出/氧化反應(ClER/ClOR)還與陽極析氧反應(OER)相競爭。因此，海水電解迫切需要一種高效、長期穩(wěn)定、耐Cl^–腐蝕的雙功能催化劑。

在此基礎上，華中科技大學王得麗等人構建了一種具有自支撐結構的雙金屬異質結構電極，該電極與泡沫鐵(C@CoP-FeP/FF)上的超薄碳層強耦合，實現(xiàn)了高效海水電解。

在堿性環(huán)境中，本文利用三電極系統(tǒng)測試了制備的催化劑的OER和HER性能，并與泡沫鐵(FF)和CoFeP/FF進行對比。C@CoP-FeP/FF在堿性介質中達到100 mA cm^-2所需的過電位僅為297 mV，低于FF(450 mV)和CoFeP/FF(305 mV)。

此外，F(xiàn)F、CoFeP/FF和C@CoP-FeP/FF的Tafel斜率分別為134.02、52.70和58.48 mV dec^-1。CoFeP/FF和C@CoP-FeP/FF的小Tafel斜率證實了Co的加入可以提升Fe基催化劑的OER性能。對于HER性能測試，在1 M KOH中，在100 mA cm^-2的電流密度下，F(xiàn)F、CoFeP/FF和C@CoP-FeP/FF所需的過電位分別為391、184和154 mV，表明C@CoP-FeP/FF具有出色的HER活性。

同時，在1 M KOH中，C@CoP-FeP/FF的Tafel斜率(67.23 mV dec^-1)小于FF(151.76 mV dec^-1)和CoFeP/FF(111.18 mV dec^-1)，進一步表明了C@CoP-FeP/FF具有快速的反應動力學。更重要的是，當將C@CoP-FeP/FF在模擬海水環(huán)境中進行HER/OER測試時，C@CoP-FeP/FF在100 mA cm^-2的電流密度下的過電位分別為192 mV和297 mV，展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

基于在模擬海水中的雙功能催化特性，將C@CoP-FeP/FF同時作為陰極和陽極進行海水電解。當電壓為1.73 V時，C@CoP-FeP/FF||C@CoP-FeP/FF在模擬海水中達到了100 mA cm^-2的電流密度，略優(yōu)于在1 M KOH中(1.74 V)。此外，C@CoP-FeP/FF|| C@CoP-FeP/FF在1.75 V的恒電壓下，連續(xù)反應100小時后，可以保持約94%的初始電流密度，表明C@CoP-FeP/FF在模擬海水電解中具有良好的穩(wěn)定性。

從實驗和表征結果來看，C@CoP-FeP/FF突出的電催化性能歸因于：1)CoP和FeP異質結構之間的協(xié)同作用可以調節(jié)催化劑的電子結構，促進電荷轉移，從而提高電催化劑的活性。此外，異質結構的雙金屬磷化物具有良好的耐氯腐蝕性能，可作為穩(wěn)定的耐腐蝕材料；2)分層多孔的結構可以最大限度地暴露活性位點，有利于電荷和電解質的擴散；3)碳層不僅可以作為保護層保護CoP-FeP納米片免受腐蝕，還可以提高導電性；4)FF可以大大加快界面?zhèn)鲗Ш蛡髻|，進一步保證了催化劑在電催化過程中的穩(wěn)定性，充分發(fā)揮電極的高性能。總之，這些綜合優(yōu)勢導致了C@CoP-FeP/FF電極具有高效的OER/HER性能。本研究為合理設計和制造非貴金屬材料作為高效的雙功能催化劑用于可持續(xù)產氫提供了指導。

Bimetallic Phosphide Heterostructure Coupled with Ultrathin Carbon Layer Boosting Overall Alkaline Water and Seawater Splitting, Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202206533.

https://doi.org/10.1002/smll.202206533.