西南大学何荣幸/王文彬/李明，华中科技大学刘友文AEM：预浸出牺牲异质结实现可持续工业级电解水

第一作者：赵年丹

通讯作者：李明*，王文彬*，刘友文*，何荣幸*

单位：西南大学，华中科技大学

电解水技术因依托可再生能源制备绿氢，成为降低化石燃料依赖的重要路径。其效率主要受限于阳极OER，该反应因涉及四个质子-电子耦合转移步骤而呈现缓慢的动力学特征。当前OER催化材料虽已涵盖贵金属氧化物、过渡金属钙钛矿及羟基氧化物等体系，但在工业级电解水环境中的表现仍不尽人意。反应过程中，这些材料表面常发生重构现象，形成催化所需的金属（羟基）氢氧化物或氧化物。其中关键挑战在于配位阴离子取代与活性金属氧化同步发生，易导致活性相结构崩塌。此外，剧烈OER条件易破坏活性原子与相邻位点间的相互作用，难以维持稳定的高电流密度。现有策略多通过调控化学键强度来提升性能，但过强的化学键可能抑制重构过程，使活性位点缺乏自适应优化，反而限制催化活性。此外，从不稳定晶格浸出的原子虽可引入氧阴离子或空位以增强衍生相的化学键，但也可能导致相邻活性位点溶解。因此，开发能够同时解决溶解问题并保留预催化剂自适应重构能力的新策略，对实现工业级电解水应用至关重要。

近日，来自西南大学的何荣幸/王文彬/李明团队与华中科技大学的刘友文团队合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Pre-Leached Sacrificial Heterojunction Enables Sustaining Industrial-Grade Water Electrolysis”的研究文章。该研究提出一种由预浸出非活性氧化物与原始活性材料构成的区域功能化异质结。通过将预浸出牺牲剂与主要活性材料分离，可实现对预催化剂重构过程与衍生活性结构整体强度的协同调控，有效减少预催化剂中活性原子的损失。该策略在多种易氧化金属氧化物基体系中展现出广泛适用性。

本文以非活性MoO₂作为牺牲剂，以NixSy（Ni₃S₂/Ni₉S₈）为主要活性材料，构建了MoO₂/NixSy异质结作为预催化剂，从而优化了NixSy的重构进程。此外，选用易氧化的WO₃和MnO₂作为替代牺牲剂，相应合成了WO₃/NixSy与MnO₂/NixSy，二者都表现出显著提升的催化性能，证实了我们提出的区域功能化异质结设计策略在调控催化剂重构方面具有普适性。

MoO₂/NixSy区域功能化异质结在1 M KOH溶液中表现出优异的OER性能。在1000 mA cm^-2电流密度下，其过电位仅为253 mV，显著优于NixSy和MoO₂。在300 h稳定性测试中，MoO₂/NixSy过电位仅增加约38 mV，表现出优异的耐久性。此外，MoO₂/NixSy也具备优异的HER活性，在1000 mA cm^-2电流密度下的过电位为285 mV。基于其优异的双功能催化性能，我们将MoO₂/NixSy同时作为阴极和阳极构建了双电极电解池，用于全解水测试。结果显示，MoO₂/NixSy || MoO₂/NixSy电解池仅需1.88 V的电压即可达到1000 mA cm^-2的电流密度，性能显著优于Pt/C || RuO₂体系。

实验与理论结果表明，在OER过程中，MoO₂/NixSy异质结的重构始于非活性MoO₂的演变，进而影响活性NixSy的相变转化。相比于原始NixSy材料，预浸出产生的MoO₄^2-可显著提升由NixSy衍生的NiOOH的形成能，从而在NixSy的结构重构过程中，成功实现配位阴离子取代（S_x^-→OH^-→O₂^-）与Ni原子氧化态变化的分离。得益于这种顺序重构机制，MoO₂/NixSy异质结转化为具有MoO₄^2-和SO₄^2-共吸附的低无序度NiOOH结构。在该衍生异质结上，吸附的MoO₄^2-和SO₄^2-协同增强了电子转移效率，而较低的结构无序度则提高了Ni-O键强度，从而显著提升了衍生NiOOH的本征活性与稳定性。

所合成的MoO₂/NixSy催化剂在工业级电解槽中也表现卓越，仅需1.70 V即可驱动400 mA cm^-2的工业级电流密度，而纯镍网需要施加1.85 V电压才能达到相同电流密度。同时，能在8000 mA高电流下稳定运行360 h，且制氢能耗低至4.07 kWh m^-3 H₂。通过构建区域功能化异质结调控初始活性催化剂的重构过程，可实现高的OER活性与稳定性，为实验室开发的电催化剂向工业电解水应用转化提供了可行且普适的解决方案。

Pre-Leached Sacrificial Heterojunction Enables Sustaining Industrial-Grade Water Electrolysis

何荣幸教授简介：博士生导师，2006年6月毕业于四川大学化学学院物理化学专业，2007年8月至2009年7月在台湾交通大学从事博士后研究工作，2014年8月至2015年2月在内布拉斯加州立大学做高级访问学者，2012年6月破格晋升教授；先后获重庆市巴渝学者特聘教授、重庆市创新领军人才、重庆市学术技术带头人和重庆市高校青年骨干教师荣誉称号；主要从事电化学催化及反应机理、光电功能材料、计算化学等方面的研究。部分研究成果“钙钛矿/有机太阳能电池材料的结构设计策略与性能调控”获重庆市科学技术三等奖（排名第一）；以第一作者或者通讯作者身份在重要学术期刊上如Angew. Chem. Int. Ed.、Proc. Natl. Acad. Sci.、Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B: Environ.、ACS Catal.、Nano-Micro Lett.、Chem. Eng. J.、J. Mater. Chem. A、J. Phys. Chem. Lett.等发表SCI论文200余篇。

王文彬副教授简介：硕士生导师，主要从事低维电催化剂的结构重构和能源分子催化性能研究，先后以第一和通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.(3)，Adv. Mater. (2)，Adv. Energy Mater., Adv. Sci., Nano Res., 和Chin. Chem. Lett.等期刊上发表论文10篇。主持国家自然科学基金面上项目和青年基金项目、重庆市自然科学基金面上项目及中央高校基本业务费等项目。

李明教授简介：博士生导师、国务院政府特殊津贴获得者、重庆市学术技术带头人。2000年获四川大学博士学位。现为西南大学化学化工学院、荧光分析与分子传感教育部重点实验室教授。主要从事电化学催化、先进能源材料化学和化学微观反应机理研究；主持并完成了有关太阳能电池材料、超导材料、不对称反应微观机制等国家级和部、省级科研项目10余项，阶段性成果《高温氧化物超导体的电子结构研究》获重庆市科学技术进步三等奖（排名第一），《钙钛矿/有机太阳能电池材料的结构设计策略与性能调控》获重庆市自然科学三等奖（排名第二）。至今在化学领域国际重要期刊如Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B: Environ.、Chem. Commun.、ACS Appl. Mater. Interfaces等上发表论文300余篇。

刘友文教授简介：博士生导师，华中科技大学材料学院教授，华中卓越学者，省杰出青年基金获得者，湖北省楚天英才计划科技创新团队负责人。长期从事二维电解水制氢材料研究，先后以第一或通讯作者在Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.(2)、Nat. Commun.(1)、Angew. Chem. Int. Ed. (11)、Adv. Mater. (4)、J. Am. Chem. Soc. (3)、CCS Chem. (1)、Chem (1)等期刊上发表论文50余篇, 总引用次数5500余次。主持国家自然科学基金3项，获中科院院长优秀奖, 中国化学会菁青化学新锐奖。主持学校本科生教改项目1项，指导学生获中国研究生创新实践比赛、大学生创新创业大赛、挑战杯国赛一等奖2项、二等奖5项、省金奖1项。个人获得中国学位与研究生教育学会优秀指导教师，华中科技大学研究生创新实践系列赛事杰出贡献指导教师奖。