齐齐哈尔大学李少斌课题组JCIS：硒空位缺陷诱导优化异质界面强电子效应提升电催化水分解性能

随着煤、石油、天然气等非可再生能源的日渐枯竭，以及化石燃料燃烧造成日益加剧的环境污染，严重影响了人类社会的可持续发展。为了缓解能源危机、修复环境污染，开发一种新型、绿色的可再生能源来优化能源结构势在必行。氢能是一种具有燃烧热值高、资源丰富、清洁高效等优点的可再生能源，被业界专家称为“终极能源”。氢气的大规模制取是氢能源发展的瓶颈所在，且已成为21世纪备受关注的热点。目前，氢气制取主要包括化石燃料制氢、核能制氢、化工副产物提取以及可持续能源制氢（利用风能/太阳能等电解水）。考虑到当前我国可持续发展战略的要求，通过电解水技术制氢已成为重点研究路线。近日，齐齐哈尔大学李少斌（点击查看介绍）团队通过缺陷工程和界面工程的协同策略，原位构建出具有丰富空位缺陷的Mo-Co₉Se₈/FeNiSe异质界面结构材料，实现了高效的全水解双功能应用（图1）。

图1. Mo-Co₉Se₈/FeNiSe电催化剂的全解水示意图。

首先，作者评估了Mo-Co₉Se₈/FeNiSe电催化剂的析氧反应(OER)活性，在电流密度为10 mA cm^-2时，Mo-Co₉Se₈/FeNiSe的过电位仅为200 mV，显示出优异的OER性能，其催化活性远超于商用贵金属催化剂RuO₂ (300 mV)。与其他材料相比，Mo-Co₉Se₈/FeNiSe具有更小的塔菲尔斜率 (56 mV dec^-1)，这意味着有更快的电子转移速率和更快的反应动力学。Mo-Co₉Se₈/FeNiSe具有更大的双层电容值 (C_dl) 和更小的电荷转移电阻 (R_ct)，证明了该材料在异质界面上具有强电子作用，导致了电荷的重新分布并得到了优化，从而具有更快的电子转移速率以及更好的催化活性。结果表明，形成的空位缺陷诱导并优化异质界面上的电子结构，从而使材料具有极佳OER活性。用计时电位法测定了电催化剂在10 mA cm^-2和100 mA cm^-2的稳定性。结果发现，24小时后所需电位几乎没有变化，表明该催化剂在碱性介质中具有良好的稳定性。记录的OER的LSV曲线在1000 CV循环前后基本不变，这证明了催化剂优异的循环稳定性。这表明该电极材料不仅具有优异的电化学性能，更具有潜在的实际应用价值。

图2. 电催化剂的OER性能评估。

催化剂只能用于单一性能，这会增加开发的制造成本，导致阴极和阳极不兼容。因此，开发可同时用于阳极和阴极的电催化剂已成为热点。作者发现，Mo-Co₉Se₈/FeNiSe不仅具有优异的OER活性，还显示出良好的析氢反应 (HER) 活性 (图3)。

图3. 电催化剂的HER性能评估。

为了分析Mo-Co₉Se₈/FeNiSe的全解水性能，使用Mo-Co₉Se₈/FeNiSe作为阴极和阳极，对其水分解性能进行了评估。Mo-Co₉Se₈/FeNiSe‖Mo-Co₉Se₈/FeNiSe只需要1.58 V的电压就能达到10 mA cm^-2的电流密度，接近Pt/C‖RuO₂的电池电压 (1.54 V)，这表明Mo-Co₉Se₈/FeNiSe具有良好的兼容性和优异的性能，而且展示出100 h的大电流稳定性 (100 mA cm^-2)。为了验证Mo-Co₉Se₈/FeNiSe的实际应用性，在H型电解槽中使用电解排水法捕获了生成的O₂和H₂。可以清楚地看到，氧气从阳极产生，氢气从阴极产生，且体积比接近1:2，这证明制氢和制氧的法拉第效率接近100%，并且优于大多数近期报道的先进电催化材料 (图4)。

图4. 电催化剂的全解水性能评估。

综上，通过缺陷工程和界面工程的协同策略，作者合成了一种新型的具有丰富空位缺陷的Mo-Co₉Se₈/FeNiSe异质结电催化剂。得益于独特的自支撑纳米结构促进了电子和离子的快速转移，Mo掺杂不仅引入硒空位缺陷以提高催化剂本征活性，还优化界面的电子结构，暴露出更多的活性位点，并加快了反应动力学。具有硒空位缺陷的Mo-Co₉Se₈/FeNiSe异质结构具有优异的OER和HER活性，在10 mA cm^-2下的过电位仅为200 mV和108 mV，全水解槽压仅为1.58 V，并且能够在100 mA cm^-2高电流密度下稳定工作至少100 h。这项工作为设计、合成用于碱性条件下高性能全解水过渡金属纳米异质结电催化剂提供了可行方案。

这一成果近期发表在Journal of Colloid and Interface Science 上，文章的第一作者是齐齐哈尔大学材料科学与工程学院硕士研究生梁静炜。

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）：

Defect engineering induces Mo-regulated Co₉Se₈/FeNiSe heterostructures with selenium vacancy for enhanced electrocatalytic overall water splitting in alkaline

Jingwei Liang, Shaobin Li*, Fengbo Li, Li Zhang, Yufeng Jiang, Huiyuan Ma, Kun Cheng, Liang Qing

J. Colloid Interface Sci., 2024, 655, 296-306, DOI: 10.1016/j.jcis.2023.11.010

导师介绍

李少斌课题组

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