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?西工大AFM: 合理設計多異質結構，實現(xiàn)穩(wěn)定工業(yè)堿水分解析氫

以可再生能源為動力的電催化水分解技術，作為一個有效和可持續(xù)的途徑，有利于緩解能源危機并促進碳中和。然而，目前工業(yè)規(guī)模的堿水分解制氫由于缺乏高效穩(wěn)定的析氫反應(HER)催化劑而導致高過電位和大Tafel斜率，影響了整體水分解效率。為了提高電解效率，工業(yè)電解通常采用高KOH濃度、高溫度和大電流密度進行。然而，工業(yè)產(chǎn)氫過程中大量氣泡快速逃逸會產(chǎn)生巨大的機械力，使電極不斷剝落或剝離催化位點，從而導致在高電流密度下難以保持機械穩(wěn)定性。粉末催化劑采用了額外的粘合劑，以增強電極上的粘合力，但這阻礙了活性部位的暴露和電子轉移，從而削弱了催化活性。因此，在保持高活性的同時，設計直接集成在強力催化電極上的高效催化中心具有重要的意義。

近日，西北工業(yè)大學王洪強、徐飛和杜乘風等采用一步電沉積策略，在Ni網(wǎng)上構建多重異質結構過渡金屬磷化物催化劑(r-Mn-Ni/CoP)，以實現(xiàn)高電流密度下的超低HER過電位和長期穩(wěn)定性。在Mn-Ni/CoP材料中，CoP晶體、NiP晶體及其非晶區(qū)和Mn摻雜共同形成了多個異質界面和雜原子摻雜，它們協(xié)同調(diào)節(jié)電子態(tài)，激活了更多的反應位點，促進物質和電荷轉移；同時，原位表面重構的親水性納米片能夠快速潤濕活性位點，進一步增強產(chǎn)氫速率。此外，催化層與高強度Ni網(wǎng)載體之間的強界面結合提高了催化劑的優(yōu)異穩(wěn)定性。

結合以上優(yōu)點，在堿性條件下，所制備的r-Mn-Ni/CoP材料在100 mA cm^-2電流密度下的HER過電位僅為134 mV，并能夠在100 mA cm^-2電流密度下穩(wěn)定運行200 h，在10 mA cm^-2電流密度下穩(wěn)定運行1250 h。

此外，采用r-Mn-Ni/CoP作為陰極的電解槽在300 mA cm^-2下的電壓為1.734 V，在80 ° C、6 KOH的惡劣工業(yè)條件下也能以200 mA cm^-2的電流密度穩(wěn)定運行40小時，這顯示出r-Mn-Ni/CoP催化劑在實際工業(yè)堿水電解中的非凡穩(wěn)定性和應用前景。

綜上，該項工作提供了一種快速制備同時具有高機械穩(wěn)定性和活性的HER電催化劑的策略，也為研究實際工作條件下材料機械強度與催化性能之間的相關性提供了啟發(fā)。

Rational design of multiple heterostructures with synergistic effect for efficient and stable hydrogen evolution toward industrial alkaline water splitting. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202402298

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