​华科/特拉华AFM: Cu调制Ni-Mo阴极d带中心，加速H解吸以促进HER反应

通过低温电解水制取绿色氢气是缓解全球能源危机和环境污染问题的一条有前途的途径。碱性电解槽(AELs)具有制氢能耗低的优点，但它们也存在能量效率低、气体渗透，以及由于厚的多孔隔膜和腐蚀性碱性溶液造成的缓慢暂态响应等缺点。采用离子交换膜和零间隙结构可以避免多孔膜和液体电解质带来的问题。

例如，氢氧化物交换膜电解槽(HEMELs)作为一种新兴技术，原则上采用无Pt族金属催化剂和堆叠组件，并受益于零间隙结构，有望降低制氢的成本。HEMEL的高性能依赖于开发高活性的电催化剂。迄今为止，人们已经开发出多种不含Pt族金属的OER催化剂。然而，目前仍然缺乏有效的非贵金属基阴极催化剂来进行碱性析氢反应(HER)，这严重阻碍了HEMEL的发展。

近日，华中科技大学肖军武、王帅、涂正凯和美国特拉华大学严玉山等报道了一种三元Ni-Cu-Mo材料作为高效的HEMEL阴极催化剂。实验结果表明，最优的Ni_0.9Cu_0.1Mo催化剂在10 mA cm⁻²电流密度下所需的HER过电位仅为30 mV，Tafel斜率为33 mV dec⁻¹；并且该催化剂在经过2000次CV循环和阶梯型10-100 mA cm⁻²电流密度下连续运行100小时后的活性下降可忽略不计，且反应后材料的结构和形貌仍保持良好，表明Ni-Cu-Mo催化剂具有优异的稳定性。

理论计算结果显示，相比于Ni-Mo，Ni_0.9Cu_0.1Mo的d带中心下降，从而导致HBE的减弱；从Ni-Mo到Ni_0.9Cu_0.1Mo，H_ads脱附的峰值温度下降了28 °C，表明Cu引入Ni-Mo减弱了Ni-H键强度并加速了H脱附。

此外，为了验证Ni_0.9Cu_0.1Mo的实际应用能力，研究人员使用Ni_0.9Cu_0.1Mo阴极和NiFeOOH(F)阳极组装了HEMEL。在2.0 V时，当向阳极通入1.0 M KOH电解质时，电流密度达到3.8 A cm^-2，甚至在该电压下以纯水作为电解质也达到1.7 A cm^-2。

更重要的是，该HEMEL在纯水体系中可稳定运行1000 小时，降解率仅为0.5 mV h^-1。通过对反应后的材料分析，证明催化剂缓慢的降解在很大程度上归因于离聚体的迁移，因此需要加强离聚物与催化剂之间的相互作用，以进一步提高催化剂的稳定性能。综上，该项工作证明了完全通过无Pt族金属催化剂来实现氢气生产的可行性，有助于推动高性能HEMELs的进一步发展。

Accelerating hydrogen desorption of nickel molybdenum cathode via copper modulation for pure-water-fed hydroxide exchange membrane electrolyzer. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202313275