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云南大學ACS Nano：Fe2P-Co2P異質結構立大功，助力構建高效耐用陰離子交換膜水電解槽

電化學水分解制高純氫氣被認為是緩解能源危機和環境污染問題最有前景的策略。其中，陰離子交換膜水電解槽(AEMWEs)是生產高純氫氣的前沿技術。Pt基材料通常被認為是水電解反應中析氫反應(HER)的基準電催化劑，但其昂貴的價格和稀缺性限制了它們的大規模應用。盡管人們開發了多種非貴金屬催化劑，但它們的活性和耐久性(特別是在安培級電流密度的情況下)仍不夠理想。因此，開發高活性、高穩定性的非Pt堿性HER催化劑以滿足工業AEM在安培電流下具有低過電位和長期使用壽命的需要，是推進AEM電解槽實際應用的關鍵。

近日，云南大學胡廣志課題組通過配體交換調控策略合成了錨定在N和P雙摻雜碳多孔納米片上的超細Fe₂P和Co₂P納米顆粒(Fe₂P-Co₂P/NPC)。理論計算表明，與Fe₂P/NPC和Co₂P/NPC中電子分別在Fe和Co位點富集不同，Fe₂P-Co₂P/NPC中的電子從Fe和Co原子流向P原子，使得電子在P位點重新分配和富集。

這表明Fe₂P-Co₂P/NPC在快速配體交換反應后有效地優化了Fe和Ni原子的電子狀態，顯著提高了其催化活性。同時，電子從Fe和Co向P的逆向流動激活了Fe₂P-Co₂P/NPC異質結中界面Co-P-Fe橋聯活性位點，優化了氫中間體的吸附和脫附，從而產生更有利的HER動力學。

因此，所制備的Fe₂P-Co₂P/NPC催化劑在堿性條件下分別僅需38、147和175 mV的過電位就能達到10、500和1000 mA cm^?2的電流密度；同時，該催化劑在100 mA cm^?2電流密度下連續運行200小時而沒有發生明顯的活性下降，且反應后材料的結構和形貌保持良好，表明其具有優異的穩定性。

更重要的是，利用Fe₂P-Co₂P/NPC作為陰極組裝的陰離子交換膜(AEM)水電解槽(Fe₂P-Co₂P/NPC||NiFe (OH)_x-Ni₃S₂)，僅需1.73 V的電池電壓就能產生1000 mA cm^?2的電流密度，并且該電解槽在1000 mA cm^?2電流密度下連續運行1000小時而沒有發生活性衰減，表現出巨大的實際應用潛力。

簡而言之，該項工作為開發高活性、高穩定性的非貴金屬催化劑用于工業規模的清潔能源生產提供了一種高效可行的策略。

MOF-on-MOF-derived ultrafine Fe₂P-Co₂P heterostructures for high-efficiency and durable anion exchange membrane water electrolyzers. ACS Nano, 2023. DOI: 10.1021/acsnano.3c09020

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