时春辉老师、于锋教授、胡立兵副教授， 《国际氢能源》文章：V2O5/MnFePBA异质结内构建内建电场提升OER和UOR性能

相关工作以“Constructing built-in electric field in heterogeneous interface of V₂O₅/ MnFePBA for efficient oxygen evolution reaction and urea oxidation reaction (https://doi.org/10 .1016/j.ijhy dene. 2025.05.185)”为题，在International Journal of Hydrogen Energy发表。

氢能由于其高能量密度和零碳排放被广泛认为是具有巨大潜力的绿色能源。电解水是一种高效、可持续的生产绿色氢的途径。其中，析氧反应(OER)是水分解的关键半反应，但由于其复杂的四电子转移过程，导致反应动力学缓慢，给反应带来了挑战。这制约了制氢技术的发展。为了应对这些挑战并提高OER催化剂的效率，采用小有机分子如甲醇、肼和尿素的氧化反应来替代直接电解水是一种明智的制氢策略。其中尿素氧化反应(UOR)的热力学势为0.37 V，显著低于OER (1.23 V vs.RHE)，从而有效降低了制氢的能耗。此外，尿素广泛存在于工业和生活污水中，尿素辅助电解水也是净化含尿素污水的有效方法。尽管与OER相比，UOR表现出较低的热力学优势，但它是一个复杂的6e-传递过程。为了提高UOR性能，可以使用一些贵金属如IrO₂和RuO₂作为催化剂。然而，它们的稀缺性和高成本限制了它们的大规模应用。因此，开发高性能、经济型的非贵金属催化剂是提高电解水效率的关键。

最近，塔里木大学时春辉老师、胡立兵副教授和石河子大学于锋教授合作在电催化OER和UOR领域取得重要进展，成功开发出一种高效稳定的V₂O₅/MnFePBA催化剂。该工作利用V₂O₅包覆在MnFePBA纳米球表面，从而形成具有内建电场（BIEF）异质结构。实验与理论计算表明，异质结两侧的半导体表现出显著的功函数差异，这驱动了V₂O₅向MnFePBA的定向电子转移，从而形成了稳定的BIEF。由于BIEF的存在，V₂O₅/MnFePBA在催化OER和UOR过程中显示出优异的催化活性和较高的稳定性。

要点一：催化机理：内建电场可以有效调节活性位点的电子结构，诱导d带中心移位，优化中间体的吸脱附行为，降低决定速率步骤的能垒，从而显著提高催化活性。

要点二：出色的催化性能：V₂O₅/MnFePBA催化剂表现出优异的OER和UOR电催化活性。在1.0 M KOH的电解液中，只需要260 mV的过电位就能达到100 mA cm^-2的电流密度。在1.0 M KOH + 0.5 M尿素电解质中，催化剂在1.36 V的电位下可实现相同的电流密度。

要点三：优异的稳定性：催化剂连续工作12小时后，电势仅略微提高1.30%，稳定性测试后的极化曲线与初始值完全重合，表明V₂O₅ /MnFePBA异质结构具有出色的稳定性。

本文通过简单的一步水热法成功制备了异质结V₂O₅/MnFePBA电催化剂。实验结果结合DFT理论计算表明，异质结界面V₂O₅和MnFePBA之间的ΔΦ驱动了电子从V₂O₅ 到MnFePBA的定向运动，从而形成BIEF。BIEF可以调节活性位点的电子结构，从而诱导ɛd的偏移，优化中间体的吸附/解吸行为，降低速率决定步骤的能量势垒，从而显著提高V₂O₅/MnFePBA的电催化活性。由于这些优点，V₂O₅/MnFePBA电极对OER和UOR具有巨大的电催化活性。因此，在碱性电解质（1.0 M KOH）中，V₂O₅ /MnFePBA仅需要260 mV的过电位即可获得100 mA cm^-2的高电流密度。此外，在由1.0 M KOH+0.5 M尿素组成的混合电解质中，它在1.36 V vs.RHE的低电势下实现了相同的电流密度。综上所述，我们成功构建了一种具有BIEF的异质组分电催化剂，可以有效地提高OER和UOR性能，从而为设计双功能电催化剂提供了一种新的方案，以促进绿色能源利用和解决含尿素废水问题。

石耀峰，2024年硕士毕业于塔里木大学化学化工学院，现于北京化工大学攻读博士学位，以第一（或共一）作者身份在Int. J. Hydrogen Energy和J. Alloy Compd.期刊发表两篇研究论文，目前研究方向为电催化硝酸根催化剂的可控构筑及理论计算。