异质结构的界面工程用于高效析氢和全水解

太原理工大学郭俊杰课题组JMCA：多孔Co(OH)2/La(OH)3@CuNWs异质结构的界面工程用于高效析氢和全水解

【文章信息】

太原理工大学郭俊杰课题组JMCA：多孔Co(OH)2/La(OH)3@CuNWs异质结构的界面工程用于高效析氢和全水解

第一作者：张振

通讯作者：郭俊杰*，章海霞*

单位：太原理工大学

【研究背景】

比表面积高、成分可控、电子结构可调的过渡金属氢氧化物引起了广泛关注。然而，单组分氢氧化物面临导电性有限、活性位点不足和催化性能差的挑战，利用具有4f轨道不完全填充特性的稀土元素构建异质结构，可以克服这些问题。然而，关于过渡金属氢氧化物和稀土金属氢氧化物组成的异质结构用于电催化分解水的报道很少。

【文章简介】

太原理工大学郭俊杰教授和章海霞副教授在国际知名杂志Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Interface engineering of porous Co(OH)2/La(OH)3@Cu nanowires heterostructure for high efficiency hydrogen evolution and overall water splitting”的研究成果。

该文章在铜纳米线上构建了多孔氢氧化钴和氢氧化镧异质结构 (记为CH/LH@Cu NWs)。CH/LH@Cu NWs催化剂由于具有二维多孔特征和丰富的异质界面，拥有优异的HER性能（在10 mA cm 2下的过电位为36 mV）和OER性能（在100 mA cm 2下的过电位为273 mV）。采用CH/LH@Cu NWs催化剂作为阳极和阴极组装的电解槽获得20mA cm 2的电流密度仅需1.56 V，且具有较好的长期稳定性。这项工作为通过异质结构构筑和界面调控策略开发高效水裂解电催化剂提供了思路。

【本文要点】

要点一：CH/LH@Cu NWs的制备

图1为CH/LH@Cu NWs的合成示意图。通过化学预处理在泡沫铜CF上均匀生长直径为200 nm的Cu(OH)2 NWs，在180 C空气中退火2小时后，得到了形貌保存完好的CuO NWs，并将其直接用作电沉积的工作电极，进一步得到CH/LH@CuOx NWs；随后，在1 M KOH中对CH/LH@CuOx NWs施加一个恒定还原电位，持续一段时间，获得CH/LH@Cu NWs样品。

图1. CH/LH@Cu NWs的制备过程

要点二：CH/LH@Cu NWs的结构及异质界面

CH/LH@Cu NWs催化剂具有良好的形貌特征，CH/LH多孔纳米片覆盖在Cu NWs表面，形成以CH/LH纳米片为壳层、Cu NWs为内核的核壳结构。CH/LH纳米片交织在一起，厚度约为4 nm，且显示出孔径为2 nm的多孔结构。La(OH)3与Co(OH)2具有明显的异质界面，如图2I所示，其中Co(OH)2的(001)晶面被La(OH)3区域包围。

图2. CH/LH@Cu NWs的结构

要点三：CH/LH@Cu NWs优异的电解水活性

CH/LH@Cu NWs表现出优越的HER性能，在10 mA cm 2电流密度下的过电位为36 mV，其Tafel斜率为22.9 mV dec 1；此外，CH / LH@Cu NWs显示了非凡的碱性OER性能，在100 mA cm 2电流密度下的过电位为273 mV。这归因于CH/LH@Cu NWs异质结构中大量的纳米级界面和孔隙所导致的强烈电荷转移。以CH/LH@Cu NWs为阳极和阴极（CH/LH@Cu NWs||CH/LH@Cu NWs）组装成的双电极装置具有优异的全水解性能，获得20 mA cm 2的电流密度只需1.56 V的电池电压，可以与最近报道的电催化剂相媲美。

图3. HER性能

图4. OER及全解水性能

要点四：催化机理研究

HER：CH/LH异质结构的|ΔGH*| （0.79 eV）远低于单一组分的Co(OH)2 (001) （ΔGH* = 0.85 eV）和La(OH)3 (100) （ΔGH* = 1.75 eV），这归因于CH/LH异质结的强界面相互作用导致部分电子通过异质界面从Co原子迁移到La原子，因此Co+的电荷密度增加，Co电子结构的变化诱导CH/LH@Cu NWs中相邻O原子的电子重排。与Co结合的O原子作为HER催化的活性位点有利于氢中间体的吸附和解吸行为。

图5. 催化剂的HER活性和相关机理研究

OER：催化剂在OER过程中会进行表面重构，形成CoOOH作为真正的活性相参与OER反应，电子由Co原子通过异质界面向La原子转移形成高价的Co+，作为OER的活性位点。因此，Co位点与含氧中间体之间的结合强度在碱性介质中被巧妙地增强。CoOOH与La(OH)3在异质界面上的电子效应可以优化单一组分电子结构，从而调节水裂解的电催化活性。

图6. 催化剂的OER活性和相关机理研究

【文章链接】

Interface engineering of porous Co(OH)2/La(OH)3@Cu nanowires heterostructure for high efficiency hydrogen evolution and overall water splitting”

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ta/d2ta08571b

【通讯作者简介】

郭俊杰教授简介：2010年取得日本东北大学博士学位，师从陈明伟教授。2011-2014年在美国橡树岭国家实验室Stephen Pennycook课题组进行博士后研究，主要从事新型二维材料的结构调控、原子结构解析及其在能源环境领域的应用，专注于利用球差校正电子显微技术结合先进能谱技术，揭示尖端新材料优异性能的超微观结构起源。

主持国家自然科学基金、山西省基础研究计划、山西省重点研发计划（国际合作）等省部级科研项目，先后获得山西省引进海外高层次人才特聘专家，青年三晋学者，“三晋英才”支持计划拔尖骨干人才，山西省高校优秀青年学术带头人，山西省学术技术带头人，山西省高校“131”领军人才工程（第二层次），山西省委联系服务的高级专家，山西省自然科学奖二等奖等奖励与荣誉， 团队入选山西省委组织部首批“百人计划”创新团队。近年来在在Nature Commun., Nano Energy, Advanced Science, Small, Acta Mater., Carbon, JMCA等材料领域顶级学术期刊发表论文100余篇，总被引用2000余次。

章海霞副教授简介：2010年获得法国格勒诺布尔大学博士学位，随后加入太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室。主要研究方向为碳基质的控制生长和应用复合材料。主持国家自然科学基金面上项目、山西省基础研究计划等省部级科研项目，近年来在Advanced Science, JMCA等材料领域顶级学术期刊发表论文30余篇。

【第一作者介绍】

张振：太原理工大学2020级硕士研究生，研究方向为新能源材料，以第一作者在Advanced Science, JMCA发表论文两篇，获2022年度硕士研究生国家奖学金。

【课题组介绍】

https://www.x-mol.com/groups/Guo_junjieTEMGroup