AEM：孪晶提高金属催化剂用于电催化水分解的效率

Nanoyu

2021-10-22

近年来，过渡金属，特别是Fe、Ni和Co基电催化剂，包括合金、氧化物、磷化物和硫化物等得到了广泛研究，并在水分解反应中表现出优异的电催化性能。部分金属电催化剂对HER和OER均表现出良好的电催化活性，可作为整体水分解的双功能电催化剂。

近日，台湾清华大学Shih-Yuan Lu，台湾阳明交通大学YongMan Choi报道了在泡沫镍上一步合成了具有致密共格孪晶界（CTBs）的树枝状Cu纳米结构。揭示了孪晶界在提高金属电催化水分解反应的效率中所起的关键作用。

文章要点

1）与通常通过牺牲模板（如ZnO纳米线/纳米棒或阳极氧化铝(AAO)膜)进行两步或多步合成来构建金属纳米结构的传统制备方法不同，采用的一步有机物辅助脉冲电沉积方法简单、可控、可扩展，并且能够生成高比表面积的树枝晶。这种孪晶树枝状结构可以提供丰富的表面反应位点和更高的电导率，有望显著提高电催化效率。

2）实验结果显示，具有致密CTB的Cu树枝晶是一种高效稳定的双功能电解水分解催化剂。在室温下，1 m KOH中，OER和HER的过电位分别仅需281 mV和88 mV，电流密度即可达到10 mA cm⁻²，低于纳米晶铜的378 mV和281 mV相比。当用于整体水分解时，催化剂仅需1.60 V的低电池电压即可获得10 mA cm⁻²的电流密度，这与两种目前流行的基准催化剂相当：即用于OER的IrO₂和用于HER的Pt/C（10 mA cm⁻²时，电压为1.62 V）。

3）研究发现，缺陷的孪晶界可以在低过电位下形成活性的Cu^ⅢO₂⁻，从而提高OER性能。孪晶界引起的协同几何效应和电子效应导致吉布斯氢吸附自由能（ΔG_H）向交换电流密度随ΔG_H变化的火山图顶端移动，导致HER活性显著提高。

参考文献

Chun-Lung Huang, et al, Twinning Enhances Efficiencies of Metallic Catalysts toward Electrolytic Water Splitting, Adv. Energy Mater. 2021

DOI: 10.1002/aenm.202101827

https://doi.org/10.1002/aenm.202101827