调控Cu/CuO异质结构实现高效pH普适性电催化析氢反应

本文报道了一种通过简单热处理法制备Cu/CuO肖特基结纳米棒阵列催化剂（CuOx-300/CF），该催化剂在酸性（247 mV@10 mA cm-2）、碱性（107 mV）和中性（80 mV）条件下均表现出优异的析氢反应（HER）活性和稳定性。研究揭示了CuO促进H2O吸附解离、Cu位点吸附H*的协同机制，为设计非贵金属pH普适性电催化剂提供了新思路。

　　

Highlight

通过精确调控铜的价态，我们成功构建了具有最佳Cu/CuO比例（约1:1）的肖特基结纳米棒阵列，这种独特的异质结构实现了HER活性的协同增强。

Results and Discussion

催化剂表征显示，300°C热处理的CuO_x-300/CF具有三维多孔结构和均匀分布的纳米棒阵列（图1a）。X射线衍射（XRD）证实了Cu/CuO异质结的形成，X射线光电子能谱（XPS）显示Cu⁰/Cu²⁺的最佳比例。电化学测试表明，该催化剂在宽pH范围内表现出色：酸性介质中仅需247 mV过电位即可达到10 mA cm^-2的电流密度，碱性条件下为107 mV，中性条件下更是低至80 mV。

分子动力学（MD）模拟和原位红外光谱揭示了反应机制：CuO位点强力吸附并解离界面水分子（H₂O_ads），而生成的H中间体优先吸附在Cu位点上。HER过程通过Cu-CuO界面协同进行，同时存在Tafel和Heyrovsky两种反应路径，涉及H₂O_ads、H和OH^-等关键中间体。

Conclusions

这项工作证明价态调控是增强水分子解离和优化反应中间体的有效策略，为设计高性能电催化剂提供了重要见解。通过简单的热处理方法，我们成功实现了催化剂化学组成和三维结构的同步优化，所获得的Cu/CuO肖特基结展现出卓越的pH普适性HER性能。