​西工大AFM: 合理设计多异质结构，实现稳定工业碱水分解析氢

以可再生能源为动力的电催化水分解技术，作为一个有效和可持续的途径，有利于缓解能源危机并促进碳中和。然而，目前工业规模的碱水分解制氢由于缺乏高效稳定的析氢反应(HER)催化剂而导致高过电位和大Tafel斜率，影响了整体水分解效率。为了提高电解效率，工业电解通常采用高KOH浓度、高温度和大电流密度进行。然而，工业产氢过程中大量气泡快速逃逸会产生巨大的机械力，使电极不断剥落或剥离催化位点，从而导致在高电流密度下难以保持机械稳定性。粉末催化剂采用了额外的粘合剂，以增强电极上的粘合力，但这阻碍了活性部位的暴露和电子转移，从而削弱了催化活性。因此，在保持高活性的同时，设计直接集成在强力催化电极上的高效催化中心具有重要的意义。

近日，西北工业大学王洪强、徐飞和杜乘风等采用一步电沉积策略，在Ni网上构建多重异质结构过渡金属磷化物催化剂(r-Mn-Ni/CoP)，以实现高电流密度下的超低HER过电位和长期稳定性。在Mn-Ni/CoP材料中，CoP晶体、NiP晶体及其非晶区和Mn掺杂共同形成了多个异质界面和杂原子掺杂，它们协同调节电子态，激活了更多的反应位点，促进物质和电荷转移；同时，原位表面重构的亲水性纳米片能够快速润湿活性位点，进一步增强产氢速率。此外，催化层与高强度Ni网载体之间的强界面结合提高了催化剂的优异稳定性。

结合以上优点，在碱性条件下，所制备的r-Mn-Ni/CoP材料在100 mA cm-2电流密度下的HER过电位仅为134 mV，并能够在100 mA cm-2电流密度下稳定运行200 h，在10 mA cm-2电流密度下稳定运行1250 h。

此外，采用r-Mn-Ni/CoP作为阴极的电解槽在300 mA cm-2下的电压为1.734 V，在80 ° C、6 KOH的恶劣工业条件下也能以200 mA cm-2的电流密度稳定运行40小时，这显示出r-Mn-Ni/CoP催化剂在实际工业碱水电解中的非凡稳定性和应用前景。

综上，该项工作提供了一种快速制备同时具有高机械稳定性和活性的HER电催化剂的策略，也为研究实际工作条件下材料机械强度与催化性能之间的相关性提供了启发。

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