西安交大科研人员在亚纳米层间限域催化材料研究方面取得新进展

氢具有绿色环保、燃烧值高和可存储等优点，是迈向国家“双碳”目标的重要能源。电分解水（Water electrolysis, WE）被认为是制取高纯氢气的优选低碳方式，设计开发非贵金属基（如：Ni）高性能电催化剂是氢能产业可持续发展与应用的核心与关键。通常，电解水的氧化还原极化环境会诱发Ni基电催化材料的表面重构（surface reconstruction，SRC），当前已成为学界共识。近年来，SRC也已发展成为一种提升材料析氢HER/析氧OER催化活性的重要手段。然而，催化材料经表面重构转变后，其整体结构变得非常复杂，对结构建模、理论计算与机制分析带来了巨大挑战。针对这一关键问题，亟待发展新型稳定、抗表面重构型(Anti-SRC)催化剂，以期实现其催化构效关系与反应机制的精准解析，促进电催化制氢材料与器件的按需定制优化。

近日，西安交通大学材料学院表面工程研究室戴正飞特聘研究员与西北工业大学瞿永泉教授针对上述问题开展合作研究，设计了双金属NiM（M=Fe，Pd）共价限域耦合的p型黑磷（BP）结构，基于电负性的基本物理化学图像，构建M→Ni→P电子转移路径，平衡Ni位点的得-失电子性来抑制其连续氧化或还原路径，以期实现表面抗重构催化效应。基于这一设想，构筑并研究了层间限域型NiM-BP材料的电催化制氢/析氧性能，在非氧化物体系中发现了表面抗重构(Anti-SRC)新现象，揭示了其金属位点缺电子态SED增强机制。得益于限域封装保护作用，在碱性电解质中NiFe-BP和NiPd-BP粉体催化剂表现出优异的电催化活性和稳定性：NiPd-BP催化剂表现显示出接近铂碳的HER性能，过电势低至53 mV；NiFe-BP展现出268mV的OER低过电势和快的反应动力学（Tafel斜率为69 mV dec?1）。将两者分别用作阴极与阳极，其全分解水器件能够在1.6 V的低驱动电压下稳定产生10 mA cm?2的电流密度，超越了许多已报道的黑磷基电催化剂。结合其低的金属载量，进一步反映出亚纳米尺度层间限域不仅能够封装保护金属位点，同时也大为提升金属原子利用率及催化质量活性。这项研究发展了二维亚纳米层间限域双金属位点的构建新技术，为设计低成本、长效稳定的抗重构电催化剂提供新的清晰途径。

该研究成果以《表面缺电子态双金属耦合的黑磷烯材料及其抗重构水电解特性》（Bimetal-Incorporated Black Phosphorene with Surface Electron Deficiency for Efficient Anti-Reconstruction Water Electrolysis）为题发表在材料领域知名学术期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为论文第一署名单位，戴正飞研究员、瞿永泉教授为论文共同通讯作者，西安交大材料学院博士生翟文芳为论文的第一作者。研究工作得到国家自然科学基金、陕西省自然科学基金等项目的资助，并得到了西安交通大学分析测试共享中心的支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202301565