武漢理工大學(xué) 首頁 >綜合新聞 發(fā)布時(shí)間：2022-07-22 16:17
近日，我校材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室木士春教授課題組聯(lián)合廣東佛山仙湖實(shí)驗(yàn)室在異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面內(nèi)建電場（BEF）誘導(dǎo)機(jī)制研究方面取得重要進(jìn)展，研究成果已在國際化學(xué)頂級(jí)期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie）上在線發(fā)表。
目前，鉑（Pt）族金屬，特別是Pt，作為催化劑，在電解水析氫反應(yīng)（HER）以及整個(gè)能源轉(zhuǎn)換電催化領(lǐng)域中起著至關(guān)重要的作用。但其價(jià)格高昂且資源稀缺，難以產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用。因此，人們正致力于非Pt析氫催化劑的開發(fā)。然而，時(shí)至今日，收效甚微，尤其是在酸性介質(zhì)中。金屬鋨（Os）在鉑族金屬的6個(gè)成員(Pt、Ir、Rh、Pd、Ru、Os)中價(jià)格最便宜，但由于Os的吸附較強(qiáng)，并不利于析氫等電催化反應(yīng)。因此，有必要對(duì)Os的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)制以優(yōu)化氫吸附，使其析氫反應(yīng)活性達(dá)到或超過Pt的水平。
近期，他們通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算發(fā)現(xiàn)，功函數(shù)（WF）作為反映電子逃逸能力的參數(shù)，決定了Os-OsSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面內(nèi)建電場和電荷轉(zhuǎn)移的方向。同時(shí)，在內(nèi)建電場的驅(qū)動(dòng)下，硒（Se）作為一種可控的電荷調(diào)制器，促進(jìn)了Os和OsSe2氫鍵結(jié)合能的雙向優(yōu)化，使Os-OsSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)擁有高本征活性的析氫反應(yīng)位點(diǎn)，從而加速了電化學(xué)裂解水析氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。通過在界面電化學(xué)析氫反應(yīng)中引入功函數(shù)，不僅可以從根本上闡明電子轉(zhuǎn)移和界面平衡的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)機(jī)制，而且也很好地說明了異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑析氫反應(yīng)的活性起源。
為了證明理論預(yù)測的精準(zhǔn)性，他們利用熔鹽法首次構(gòu)建了相比例可調(diào)節(jié)的Os-OsSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑，并結(jié)合電化學(xué)性能測試確定了電催化劑的構(gòu)效關(guān)系。所構(gòu)建的Os-OsSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)在酸性和堿性介質(zhì)中驅(qū)動(dòng)10 mA cm-2的電流密度分別只需26和23 mV的過電位，表現(xiàn)出優(yōu)于商業(yè)Pt催化劑的析氫反應(yīng)活性，而且Os-OsSe2和商用RuO2（釕價(jià)格僅高于鋨）組裝而成的全水解裝置在太陽能的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)了有效產(chǎn)氫。
該工作深入解析了異質(zhì)界面引起的電子轉(zhuǎn)移和電荷平衡效應(yīng)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)機(jī)制，并據(jù)此提出了電催化劑的電子結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略，而且還進(jìn)一步豐富了鉑族金屬催化劑的研究體系。今后，Os作為Pt族最具有價(jià)格競爭優(yōu)勢的成員無疑將會(huì)倍受關(guān)注。研究成果對(duì)電催化機(jī)制及其他催化材料的設(shè)計(jì)與構(gòu)筑具有重要的啟示意義。該項(xiàng)研究獲得了國家自然科學(xué)基金（No. 22075223, No. 22179104）等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：Work-function-induced Interfacial Built-in Electric Fields in Os-OsSe2 Heterostructures for Active Acidic and Alkaline Hydrogen Evolution
https://doi.org/10.1002/anie.202208642