近日，我院邱明副教授和邢卓副教授在中性电解水制氢的研究领域取得了新的重要进展，并在国际著名期刊Chinese Journal of Catalysis（中科院一区，TOP期刊，IF=15.7）上发表题为“Amorphous core‐shell NiMoP@CuNWs rod‐like structure with hydrophilicity feature for efficient hydrogen production in neutral media”的研究文章。该研究成果以华中师范大学为独立完成单位，论文的第一作者是我院物理科学与技术学院的博士研究生肖佳勇和硕士研究生蒋超。
（详见：https://www.cjcatal.com/CN/10.1016/S1872-2067(24)60086-0）
电化学析氢(HER)是解决能源危机和环境问题的有效手段之一。目前的研究主要集中于强酸或强碱电解环境，然而极端pH的工作环境不利于电解槽和电催化剂的长期稳定性。在中性溶液中电解水制氢具有环境友好、可持续和性价比高等特点，非常具有实际应用价值。但对中性HER催化剂的研究落后于酸性和碱性电解液中工作的催化剂。实验和理论研究结果发现Ni-P化合物在酸性和碱性电解液中具有优异HER性能，这源自于过渡金属磷化物(TMPs)金属和P位点分别作为氢化物和质子受体的协同作用。考虑到中性电解液中缓慢的反应动力学，需要额外引入更多的金属位点来优化Ni-P的本征活性。此外，调整催化剂的形貌也是提高催化性能的有效方式之一。
这项工作结合上述两种调控方式，通过浸渍和电还原法在泡沫铜表面生长铜纳米线作为具有高导电能力的核芯，然后经过电沉积在其表面形成主要由Ni、Mo和P元素组成的无定形壳层活性物质，制备了棒状核壳结构的电催化剂(NiMoP@CuNWs/CF)。该催化剂在1.0 mol L‒1 PBS中性溶液的HER性能优于商业Pt/C催化剂，电流密度为10和100 mA cm–2时的过电位分别为35和195 mV，Tafel斜率也仅为50 mV dec–1。催化剂可以在恒定电流下工作25 h性能没有明显衰减，具有较Pt/C催化剂更好的稳定性。X射线光电子能谱结果表明，Mo元素的成功引入引起了催化剂电子结构的重新分布，增强了Ni‒P键的强度。电化学阻抗谱结果表明，Mo的引入大幅度提高了催化剂的电子转移能力。理论计算结果表明，Mo的引入增强了催化剂的亲水性和水裂解能力，同时削弱了催化剂表面Ni位点与H原子的结合强度，促进了H2产物的脱附。因而NiMoP@CuNWs/CF相比于NiP@CuNWs/CF的HER性能得到了大幅度提升。对比各催化剂，我们发现使用铜纳米线核芯作为电催化剂载体的NiMoP@CuNWs/CF的电化学活性比表面积是使用泡沫铜作为载体的NiMoP/CF的1.61倍，能够获得更丰富的活性位点。此外，NiMoP@CuNWs/CF的亲水性也相比于得到了明显提升，促进了电极与电解质溶液的有效接触。催化剂NiMoP@CuNWs/CF良好的分散性有利于氢气泡的快速脱附，提高反应速率的同时避免了大气泡较大张力对电极的损伤。NiMoP@CuNWs/CF的HER性能和稳定性相较于NiMoP/CF都显著提升，说明了形貌工程的成功调控。
综上所述，该研究采用简单和低成本的制备方法有效地将本征活性调控和形貌调控两种方式相结合，利用它们的协同作用获得了具有较高催化性能的催化剂。该工作为中性电解水催化剂的设计提供了新的思路，为进一步实现电解丰富的近中性海水资源制氢提供了可能。
此项研究工作得到了国家重点研发计划(2022YFB3803600)；国家自然科学基金(U20A20246)；山东省自然科学基金(ZR2020QB133)；中央高校基本科研业务费(CCNU22JC017，CCNU24JC013)的支持。
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通讯员|肖佳勇 蒋超
责编|钟瑷忆
审校|俞云伟
