构建独特异质结构Ni2P/NiTe2催化剂，用于高效电解水制氢

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

氢是清洁、高效的能源载体，在供热、交通、工业以及发电等多领域是不可替代的燃料和原料。随着全球应对气候变化的压力日益突出，氢能作为零碳能源正在脱颖而出，并有望在不久的将来有效替代化石燃料。利用可再生能源开发大规模、廉价、高效、清洁的电解水制氢技术，是从水中高效制氢的有效手段。电解水过程由于电极的析氢电位过高，从而造成电能消耗大。因此，开发廉价、活性高和稳定性好的阴极电催化剂就成为降低制氢成本的关键。

具有异质结构界面的催化剂，在许多电化学能源转换和存储反应中发挥独特优势。碲化镍（NiTe）作为一种硫族金属化合物，拥有优异的电解水催化氧化性能，但是其极弱的氢吸附能力，限制了其在电解水制氢领域的广泛应用。为了解决此问题，最近，澳大利亚新南威尔士大学赵川教授（点击查看介绍）团队开发了一种简单的磷化氢(PH₃)气相辅助制备电极策略，可以有效地将非活性的NiTe，成功转化为具有独特异质结构的Ni₂P/NiTe₂高活性制氢催化剂。实验和理论研究表明，Ni₂P/NiTe₂异质结构界面可以提供大量的反应活性位，并且有效促进水在异质界面的高效解离。对反应的模拟计算表明，相比较NiTe₂(011)，在Ni₂P/NiTe₂(011)界面有更多的电子从Ni转移至H*,这就极大的增强了H*在界面的吸附，这是导致电极具有优异的碱性电解水制氢性能的主要原因。

图1. Ni₂P/NiTe₂异质结构催化剂制备示意图和形貌图

从图1可以看出，通过调节PH₃气体的浓度，就可以有效的控制异质结构催化剂的形貌和相组成。例如：在较低的PH₃浓度下，催化剂不会实现从非活性的NiTe到Ni₂P/NiTe₂相的转化，只会形成催化活性较低的Ni₂P/NiTe异质结构。只有当PH₃浓度达到一定程度时，才会成功实现Ni₂P/NiTe₂相的形成。但是当PH₃浓度过高时，泡沫镍导电基底变得很脆，这就导致电极的强度和导电性下降，从而降低制氢性能。

图2. Ni₂P/NiTe₂异质结构催化剂的电解水制氢性能和稳定性

图2表明所制备的Ni₂P/NiTe₂催化剂拥有良好的析氢活性和稳定性。另外，这是一种普适性的处理硫族金属化合物的策略，利用该方法，作者还成功制备了Ni₂P/NiS₂高效析氢异质结构催化剂。

这一成果近期发表在Energy & Environmental Science 期刊上。该研究有效解决了金属碲化物制氢活性低、长期稳定性差等问题。另外，该研究为处理具有较低制氢活性的硫族金属化合物，提供了普适性的策略和方法。文章的第一作者是李义兵博士和谭歆博士。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Phosphine vapor-assisted construction of heterostructured Ni₂P/NiTe₂ catalysts for efficient hydrogen evolution

Yibing Li, Xin Tan, Hao Tan, Hangjuan Ren, Sheng Chen, Wanfeng Yang, Sean C. Smith and Chuan Zhao*

Energy Environ. Sci., 2020, 13, 1799-1807, DOI: 10.1039/D0EE00666A

赵川教授简介

赵川，澳大利亚新南威尔士大学（The University of New South Wales，UNSW）化学院终身教授，皇家澳大利亚电化学会主席，澳大利亚研究委员会Future Fellow，英国皇家化学会会士（FRSC），澳洲皇家化学会会士（FRACI），皇家新南威尔士会会士（FRSN）。2002年，西北大学博士毕业，2002-2006年在德国奥尔登堡大学（Carl von Ossietzky Universität Oldenburg）化学系从事博士后研究工作，2006-2010年澳大利亚蒙纳士大学（Monash University）化学院ARC绿色化学中心任高级研究员。

赵川教授的研究兴趣包括纳米电化学技术及其在清洁能源中的应用。近年来发表高水平SCI论文百余篇，包括多篇以通讯作者发表在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed. 期刊上的热点论文和高引用频率排行论文。其科研成果多次被包括新华社在内的国际主流新闻媒体报道，获国际发明专利8项，澳大利亚发明专利5项，多项成果商业化，其制氢项目2016年入选中国科技部首个海外高科技火炬创新园。

赵川

https://www.x-mol.com/university/faculty/25323

课题组链接

http://www.chemistry.unsw.edu.au/research/research-groups/zhao-group

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究兴趣是开发低成本、高效和稳定的电解水制氢电极。前期的研究成果表明，NiTe拥有优良的电解水氧化性能。但是对其后续的电解水还原制氢性能研究表明，该电极没有任何析氢活性。为了研究是什么导致了这种迥然不同的现象，并最终实现用同一种材料进行全电解水制氢，我们通过构建异质界面的方法，来促进电解水制氢反应的进行。这是因为界面处独特的协同效应，可以为反应提供更多活性位，增强氢中间体的吸附，实现高效制氢。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本研究中最大的挑战是如何在界面处有效形成Ni₂P/NiTe₂相。由于反应是以生长在泡沫镍上的NiTe催化剂为原始材料，那么通过改变什么样的制备环境和条件才能形成所需要的Ni₂P/NiTe₂高活性相，而非Ni₂P/NiTe相是关键。我们发现，反应过程中控制磷化氢气体的浓度至关重要，只有当其浓度达到一定条件时，才能既可以实现相的转化，同时又保证泡沫镍基底良好的强度和导电性。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：赵川教授团队近年来在新型电解水电极材料的设计和制备技术方面取得一系列进展。该研究为利用廉价金属制备高效、稳定的碱性制氢电极提供了另一种可能。特别是通过气相法处理一些本征上没有任何电催化制氢性能的催化剂，进而达到高效制氢效果的策略，对工业电解水制氢领域的研究和发展产生推动作用。