Appl. Catal. B：掺杂诱导的界面耦合增强效应实现高效全水解

在过去的几十年里，全球的能源需求以惊人的速度增长，化石燃料的枯竭正使我们的世界面临严重的能源危机。因此，寻找新能源对人类的可持续发展至关重要。在所有的可再生能源中，最理想的是氢，因为它具有零污染和高能量密度等优点。

在所有产氢方法中，电解水因其利用率高且无副产物而受到研究者的关注。电解水包括两个半反应：阴极的析氢反应(HER)和阳极的析氧反应(OER)。贵金属催化剂(Pt、Pd、Ru、Ir)对HER和OER具有良好的催化活性，但目前其高昂的成本使其难以在工业上应用。因此，研究人员制备高效、廉价的电解水催化剂至关重要。

基于此，西南大学何荣幸和李明以及广西师范大学苏炜(共同通讯)等人采用氮化、硫化法成功合成了一种杂原子掺杂的非均相界面催化剂Fe-CoN/CoS₂，该催化剂展现出了优异的HER和OER性能。

本文首先测试了所有催化剂的OER性能。根据极化曲线可以发现，CoS₂和CoN在10 mA·cm^-2的电流密度下的过电位分别为273和286 mV，这表明它们的OER活性较差。掺杂Fe后，Fe-CoS₂和Fe-CoN的过电位降低到252和280 mV，这表明Fe掺杂引起的电子转移可以使材料具有更好的OER活性，但不明显。

当CoS₂与CoN形成异质界面(CoN/CoS₂)时，过电位降低到237 mV，这表明CoS₂与CoN之间存在协同作用，这种协同作用可以显著提高催化剂的OER性能。而掺杂Fe后，Fe-CoN/CoS₂催化剂在10 mA·cm^-2的电流密度下具有154 mV的超低过电位，在高电流密度时也表现出类似的趋势，这个值也比最近报道的不含贵金属的OER催化剂要小得多。这一结果证实了掺杂诱导的界面耦合增强可以进一步提高异质界面的本征催化活性，并改善电子导电性，从而极大地提高了催化剂的OER性能。

之后，本文继续在酸性条件下测试了催化剂的HER性能。测试极果表明，Fe-CoN/CoS₂在10 mA·cm^-2的电流密度下过电位仅为39 mV，这与Pt/C(24 mV)非常接近，并且超过了最近报道的催化剂。而在相同电流密度下，CoN/CoS₂(52 mV)、Fe-CoS₂(82 mV)和CoS₂(110 mV)的过电位均远高于Fe-CoN/CoS₂，且在较高的电流密度下也有相同的趋势。

考虑到Fe-CoN/CoS₂在碱性条件下具有上述优异的HER和OER性能，本文在1 M KOH条件下测试了所有催化剂的全水解性能。正如所预料的那样，Fe-CoN/CoS₂只需要1.48 V的电压就可以达到10 mA·cm^-2的电流密度，远低于CoN/CoS₂(1.58 V)、Fe-CoS₂(1.62 V)、CoS₂(1.64 V)、Fe-CoN(1.65 V)、CoN(1.66 V)和RuO₂||Pt/C(1.49 V)。

更重要的是，经过100小时的稳定性测试后，Fe-CoN/CoS₂全水解体系的电流密度仍然保持86%，而RuO₂||Pt/C在35小时后的稳定性则明显下降。这些结果表明，Fe-CoN/CoS₂是一种成本低、活性高、稳定性好的全水解催化剂。此外，根据XPS结果还可以发现，Fe的掺杂可以促进非均相界面处的电子耦合，导致界面极化明显增强，极大地优化了界面附近的电子分布，显著提高了催化剂的本征催化活性。

此外，本文的密度泛函理论(DFT)分析还表明，Fe的掺杂可以修饰异质界面周围的电子结构，导致H^*和含氧中间体的适度吸附，从而降低了催化剂HER和OER的能垒，提高了其本征活性。总之，本文的研究结果为后续过渡金属离子掺杂异质界面催化剂的设计提供了有效的指导。

Realizing Efficient Oxygen Evolution at Low Overpotential via Dopant-induced Interfacial Coupling Enhancement Effect, Applied Catalysis B: Environmental, 2023, DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.122928.

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122928.

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Appl. Catal. B：掺杂诱导的界面耦合增强效应实现高效全水解

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