第一作者：Ruopeng Li

通讯作者：杨培霞，王博，武刚

通讯单位：哈尔滨工业大学；纽约州立大学布法罗分校

论文速览

析氢反应（HER）对于通过节能的碱性水电解产H2具有重要意义，但仍然面临挑战。通过整合异质材料，可以有效设计出有利于水解离（WD）和H-立即参与的吸附/解吸行为的电催化剂，并触发积极相互作用以打破动力学限制。

本研究展示了一种有前途的配置，即将钒氧化物与钴磷化物平面集成在一起，生长在镍泡沫上（VOx-CoP/NF），全面提高了碱性HER动力学。掺杂的钒氧化物优先发生WD过程以生成H-中间体。同时，VOx和CoP之间的相互作用诱导电子重新分布，优化了3d-2p轨道杂化状态，平衡了H*的吸附强度，以促进氢气的转移和富集。

最终，VOx-CoP/NF展现出卓越的碱性HER性能，在10/400 mA cm−2时的过电位仅为65/245 mV，优于单独的CoP和大多数代表性的钴磷化物候选材料。

使用VOx-CoP/NF作为双功能催化剂组装的流动阴离子交换膜（AEM）尿素辅助水电解器，实现了令人满意的性能，验证了其高效产氢的实用可行性。本研究示范的概念是通过合理构建明确配置来同步优化HER的基本反应步骤动力学，这对于设计HER电催化剂具有指导意义。

图文导读

图1 展示了VOx-CoP/NF的合成示意图；扫描电子显微镜（SEM）图像；透射电子显微镜（TEM）图像；选区电子衍射（SAED）图像；高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像；以及高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和相应的能量色散光谱（EDS）面扫图像。

图2 展示了VOx-CoP/NF、VO2和V箔的V K-edge X射线吸收近边结构（XANES）光谱和相应的傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构（FT-EXAFS）光谱；VOx-CoP/NF、CoP/NF和Co箔的Co K-edge XANES光谱和相应的FT-EXAFS光谱；以及VOx-CoP/NF和CoP/NF的WT-EXAFS图谱比较。

图3 展示了VOx-CoP/NF、CoP/NF、Pt-C和NF在1.0 M KOH中的极化曲线；相应的Tafel斜率比较；与最近研究的性能比较；综合电化学性能雷达图；VOx-CoP/NF在10和100 mA cm-2下的计时电位曲线；在AEM系统中运行的尿素辅助电解性能和在100 mA cm-2下的计时安培曲线。

图4 展示了VOx-CoP/NF和CoP/NF在恒定电位条件下的电化学FT-IR光谱；电化学处理后的VOx-CoP/NF（红色）和CoP/NF（蓝色）的飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）剖面，插图显示了从18.8到19.2的放大信号范围；VOx-CoP/NF和CoP/NF上H3O+物种的相应2D分布图像。

图5 展示了VOx-CoP模型的计算电荷密度差；VOx-CoP和CoP模型的pDOS比较；VOx-CoP和CoP模型的d-p轨道耦合态的示意图；不同模型/位点的水解离和氢吸附的吉布斯自由能变化的计算；在VOx-CoP候选材料上提出的HER途径的示意图。

总结展望

本研究开发了一种高性能的HER催化剂VOx-CoP/NF，通过配体交换和高温磷化处理实现。钒氧化物掺杂剂与钴磷化物平面的有前途的配置，使得催化析氢遵循动力学快速的Volmer-Heyrovsky途径，赋予了显著的HER性能，并通过尿素辅助电解实现了节能的氢气生产。 通过多光谱表征结合DFT计算揭示，掺杂的钒氧化物物种可以有效推动水解离。同时，异质结构介导的吸引人的电子环境确保了催化剂表面H-中间体的动态转移和覆盖，从而全面促进了HER动力学。 研究者针对催化配置的目标优化策略可能为设计先进的非贵金属催化系统提供机制理解。

文献信息

标题: VOx-doped CoP catalysts with synergistic dual-active configuration for boosting hydrogen evolution kinetics

期刊: Nano Energy

DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.109613