垂直异质结构中内建极化场协同氢溢出和去极化促进水电解

氢能是未来碳中和社会的理想绿色能源。电化学分解水被认为是制取高纯氢气的首选低碳方式。HER和OER是电解水的两个半反应，需要催化剂降低其反应过电位。根据Sabatier原理，理想的HER催化剂与氢中间体 (*H) 的相互作用既不能太强也不能太弱，即*H吸附自由能接近中性（ΔG_H*≈0）。然而，由于ΔG_H*过于正或负，许多过渡金属 (TM) 基催化剂的HER性能表现不佳。受热催化过程中的氢溢流现象的启发，诸多学者借鉴其来设计并提升金属负载型电催化剂的HER性能。ΔG_H*＜0的金属和ΔG_H*＞0的载体协同完成质子的聚集和氢的析出，从动力学的角度提供了更优的反应路径。然而，当前关于HSo的研究仍集中在贵金属体系，如Pt/TiO₂等，基于TM体系的HSo效应尚未被报道。

相对于HER，OER由于其四电子反应路径而在动力学上要慢得多。根据Sabatier的吸附质演化机制，从*OH→*O和*OOH→O₂的中间物的演变伴随着DeP过程。此外，对于许多OER催化剂来说，第三步（*O+OH^–→*OOH+e^–）是具有高能垒的决速步（RDS），据报道可以通过质子受体来优化这一RDS，使其转为能量更有利的DeP步骤（*O+OH^–→*OO+*H+e^–）。因此，促进DeP是提高OER催化活性的有效策略。基于上述的HSo和DeP机制，不禁产生疑问：能否将二者协同起来以设计基于TM的双功能HER/OER催化剂？在HSo/DeP统一的物理化学图像中，其核心或者说驱动力是什么？

近日，西安交通大学材料学院戴正飞特聘研究员与南京理工大学曾海波教授针对上述问题开展合作研究，剖析了氢溢流和去质子化机制发生的必要条件，揭示了统一HSo和DeP的潜在驱动力是内建极化场。理论分析表明，MoS₂/NiPS₃异质结构中的HSo路径和双DeP途径使其具有满足HER/OER双功能催化活性的可能。基于此，采用简单经济的策略构建MoS₂/NiPS₃异质结构，促进MoS₂的边缘暴露和NiPS₃基面的激活。在碱性条件下，异质结构表现出比纯材料更优的催化活性和周转频率。此外，该催化剂能在1.64 V的低电压下进行全水分解，并具有100 h的良好稳定性和高法拉第效率（~99%）。太阳能辅助水电解装置展示了其用于绿色可持续制氢的前景。进一步的实验和理论研究验证了内建极化场的存在和碱性条件下基于TM体系的合理HSo/DeP反应路径。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上。

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Synergizing Hydrogen Spillover and Deprotonation by Internal Polarization Field in MoS₂/NiPS₃ Vertical Heterostructure for Boosted Water Electrolysis

Yaoda Liu, Ya Chen, Yahui Tian, Thangavel Sakthivel, Hang Liu, Shengwu Guo, Haibo Zeng, Zhengfei Dai

Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202203615

作者介绍

曾海波，国家杰出青年基金获得者，国家级万人计划领军人才，英国皇家化学会会士，美国光学会会士，新型显示材料与器件工信部重点实验室创始人，南京理工大学材料学院院长。长期从事低维半导体与光电器件研究，主持国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金重点项目、国防科技创新特区项目，发表Nature Photonics、Nature Electronics、Nature Reviews Materials、Nature Communications、Advanced Materials等期刊论文300余篇，SCI引用4万余次，单篇引用超过1000次6篇，最高超过2000次，H因子105，获Nature、Nature Materials Review、Nature Nanotechnology等专题评论20次。2017年以来连续入选科瑞维安全球高被引科学家、爱思维尔全球2%顶尖科学家，获中国照明学会LED首创奖金奖、安徽省科技奖一等奖、江苏省高校科技奖一等奖、江苏省教学成果奖一等奖。

https://www.x-mol.com/university/faculty/31096 

戴正飞，西安交通大学材料学院研究员、博导，目前主要从事纳米材料的可控制备和表界面特性调控，及其在环境气体传感、新能源等领域的理论与实验基础研究。曾经获得中科院院长优秀奖，JSPS海外特别研究员，陕西省引进人才计划等。迄今在Matter、Advanced Materials、ACS Nano、Applied Catalysis B、Small等杂志发表学术论文80多篇，ESI高被引论文6篇、封面论文6篇，所发表论文被引4000余次，H因子为35。