在FeP/CoNiP异质结构中同时进行电子结构优化和气-液-固界面调控，以实现高效的水分解

《Applied Surface Science》：Simultaneous electronic structure optimization and gas-liquid-solid interface regulation in FeP/CoNiP heterostructures toward high-efficiency water splitting

高效稳定的水解裂解催化剂FeP/CoNiP异质纳米棒在镍泡沫上的制备及其机理研究，通过电子转移调控和纳米结构设计实现低过电位（76/159 mV@10/100 mA cm-2）和高稳定性（200小时），对比商用Pt/C/RuO2体系电压降低15%，揭示异质结构对分子动力学和气液固界面的协同优化作用。

　　本研究聚焦于设计高效且稳定的过渡金属磷酸盐催化剂，以应对高电流密度下的水分解反应。水分解作为制备氢气和氧气的关键过程，在清洁能源领域具有重要的应用前景。然而，传统的贵金属催化剂如铂碳（Pt/C）和二氧化钌/四氧化铱（RuO?/IrO?）因成本高昂、资源稀缺以及稳定性不足，难以在大规模工业应用中广泛推广。因此，开发基于过渡金属的非贵金属双功能催化剂成为研究热点。

在本研究中，研究人员成功合成了一种纳米棒状的FeP/CoNiP异质结构催化剂，该催化剂以镍泡沫（NF）为基底，展现出优异的析氢反应（HER）和析氧反应（OER）性能。催化剂的结构特点使其在高电流密度下具备高效的气体泡生成与释放能力，这主要归因于其优异的亲水性和超疏气性。此外，该催化剂在特定电流密度下所需的过电位显著降低，分别为HER的76 mV和OER的159 mV，显示出卓越的催化效率。更为重要的是，在整体水分解反应中，所构建的FeP/CoNiP/NF||FeP/CoNiP/NF电解槽仅需1.45 V即可达到10 mA cm?2的电流密度，且在200小时的长时间运行中仍保持稳定，这优于商用的20%Pt/C/NF||RuO?/NF电解槽（1.49 V）。

该催化剂的设计理念基于对电子结构的调控以及纳米阵列结构的构建，从而有效改善了气液固界面的特性。FeP与CoNiP之间的电子转移不仅优化了HER的吸附能，还促进了OER过程中新的活性位点的形成，即FeOOH/CoNiOOH异质结构。这种异质结构的引入，使得催化剂在电化学反应中表现出更高的活性和稳定性。同时，通过实验与密度泛函理论（DFT）计算的结合，研究人员进一步验证了FeP在调节CoNiP电子结构中的关键作用，为开发高效、低成本的双功能催化剂提供了新的思路。

从材料设计的角度来看，过渡金属磷酸盐因其独特的物理化学性质，成为水分解反应中的重要候选材料。相比其他过渡金属化合物，如硫化物、硒化物和氢氧化物，磷酸盐具有更优的电化学性能和更长的使用寿命。磷作为重要的组成元素，不仅能够降低催化剂的吉布斯自由能，还能够有效提升HER和OER的反应动力学。此外，磷元素的引入还能有效缓解电极的腐蚀，从而提升催化剂在高电流密度下的长期稳定性。因此，研究过渡金属磷酸盐的异质结构设计对于提升水分解反应的效率和可持续性具有重要意义。

在实验过程中，研究人员采用了多种手段对催化剂的性能进行了系统的评估。例如，通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等技术，对催化剂的晶体结构和形貌进行了表征，从而确认其纳米棒状异质结构的形成。此外，通过电化学测试，如循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）和计时电流法（Tafel），对HER和OER的催化活性进行了量化分析。这些测试结果不仅展示了催化剂在低过电位下的高效反应能力，还揭示了其在长时间运行中的稳定性。实验数据表明，该催化剂在100 mA cm?2的电流密度下，HER和OER的过电位分别仅为234 mV和375 mV，远低于传统贵金属催化剂的性能指标。

为了进一步验证催化剂的性能，研究人员还进行了一系列实验，包括Faraday测试和气体收集实验。通过Faraday测试，研究人员可以准确测量催化剂在水分解过程中产生的气体量，并结合电化学数据计算出催化剂的法拉第效率（FE）。实验结果表明，该催化剂的HER和OER法拉第效率分别达到了101.63%和101.88%，接近理论值，这表明几乎所有的电子都被有效地用于生成氢气和氧气。同时，研究人员还通过XRD和XPS等技术对催化剂的表面化学状态进行了分析，以确认其在反应过程中是否发生了结构或成分的变化。

此外，研究人员还对催化剂的电子传输路径进行了深入研究。纳米棒状结构的引入不仅提供了更多的活性位点，还优化了电子的传输效率。这种结构设计使得催化剂在高电流密度下能够维持稳定的反应性能，同时减少质量传递阻力。通过电化学阻抗谱（EIS）分析，研究人员进一步确认了催化剂在低电阻下的性能优势，这有助于提升水分解反应的整体效率。

在催化剂的制备过程中，研究人员采用了水浴法和惰性气氛下的氧化磷化工艺。首先，通过水浴法合成Fe-CoNi-LDH纳米棒，然后在350°C的高温下进行氧化和磷化反应，最终获得FeP/CoNiP/NF催化剂。这种制备方法不仅操作简便，还能够有效控制催化剂的形貌和结构。通过优化反应条件，研究人员成功实现了FeP与CoNiP的异质结构构建，使得催化剂在水分解过程中表现出优异的性能。

本研究的创新点在于，通过异质结构的设计，实现了对催化剂电子结构和表面特性的双重调控。这种设计策略不仅提升了催化剂的催化活性，还显著降低了其过电位，使得水分解反应在较低的电压下即可高效进行。同时，通过构建纳米阵列结构，研究人员进一步优化了催化剂的气体泡生成与释放能力，从而提升了其在高电流密度下的稳定性。这些成果为开发高性能、低成本的双功能催化剂提供了新的思路，并为实现可持续的水分解系统奠定了基础。

从应用角度来看，该催化剂具有广阔的应用前景。由于其优异的催化性能和稳定性，该催化剂有望在工业规模的水分解反应中发挥重要作用。此外，该催化剂的非贵金属特性使其在成本控制方面具有明显优势，这对于推动绿色能源的发展具有重要意义。同时，该催化剂的结构设计也为其他过渡金属化合物的异质结构研究提供了参考，有望在未来的能源材料开发中发挥更大作用。

本研究不仅在实验层面取得了重要突破，还在理论层面提供了新的见解。通过结合实验数据和理论计算，研究人员深入探讨了FeP与CoNiP异质结构在水分解反应中的作用机制。这些机制包括电子转移、活性位点形成以及气液固界面的调控等。这些研究结果为理解过渡金属异质结构在电催化反应中的作用提供了新的视角，并为未来的研究提供了理论支持。

总的来说，本研究通过合理设计FeP/CoNiP异质结构纳米阵列催化剂，成功提升了水分解反应的效率和稳定性。该催化剂在低过电位下表现出优异的性能，并在长时间运行中保持稳定，这为其在工业应用中的推广提供了坚实的基础。同时，该研究也为开发高性能、低成本的双功能催化剂提供了新的思路，为实现可持续的水分解系统做出了重要贡献。