华中科技大学王春栋团队AFM：莫特-肖特基结型催化剂在安培级电流密度下实现高性能肼辅助制氢

第一作者：黄娅平，张霞

通讯作者：王春栋教授

通讯单位：华中科技大学

发展清洁、安全、低碳的能源体系是解决当前能源危机和减轻不利环境影响的必要步骤。电解水制氢是一种可靠、环保的技术，可以很容易地将水转化为清洁、可再生的氢能源。肼氧化反应（HzOR）相较于析氧反应（OER）具有更低的理论电势（−0.33 V vs. RHE），作为替代电解水的阳极端反应可以有效降低产氢电压。利用贵金属颗粒与半导体MOFs结合构筑莫特-肖特基结，界面处形成的内建电场可以调控电子再分布，从而实现高效且稳定的HER/HzOR双功能电催化剂的制备。

近日，华中科技大学王春栋教授团队，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Mott-Schottky Barrier Enabling High-Performance Hydrazine-Assisted Hydrogen Generation at Ampere-Level Current Densities”的研究性论文。该文章报道了一种莫特-肖特基结型催化剂，在安培级大电流密度下具有优异的HER/HzOR双功能催化活性。

Mott-Schottky结型催化剂Pt@NiFc-MOF是通过“水热+室温蚀刻”两步方法制备的，两相界面处形成的内建电场可以调控局部电子密度，该方法能够在不影响材料晶体结构和诱导催化剂亚稳态的情况下提高其大电流密度下的催化活性。XPS结果表明，电子由Ni向Pt转移，形成由半导体NiFc-MOF指向金属Pt NPs的内建电场。

制备的Pt@NiFc-MOF在安培级电流密度下具有优异的HzOR性能（1500 mA cm⁻²下过电位为357 mV）及HER性能（1000 mA cm⁻²下过电位为252 mV）。构建成双电极电解槽（Pt@NiFc-MOF||Pt@NiFc-MOF），其OHzS能在超低电池电压668 mV下实现2000 mA cm⁻²的电流密度，优于目前报道的大部分电催化剂。

Pt@NiFc-MOF具有良好的N₂H₄去除率，能够在500 mA cm⁻²下120分钟内将N₂H₄从718 ppb降解到6 ppb（满足美国环境保护署低于10 ppb的标准）。该催化剂实现了绿色制氢与肼废水降解处理的高效耦合，展示了其“一石二鸟”的功能。作为直接液态N₂H₄/H₂O₂燃料电池（DHHPFC, Pt@NiFc-MOF||Pt Net）的阳极端材料，在80℃下Pt@NiFc-MOF催化剂能产生415.2 mW cm⁻²的峰值功率密度，并可在500 mA cm⁻²（25℃）下稳定工作190小时，为燃料电池电极材料的发展提供了一定的借鉴意义。

Pt NPs和NiFc-MOF的功函数差使得Mott-Schottky结得以成功形成，其内置电场加速了界面处的定向电荷转移。DFT计算揭示了这样一个事实，即重新分布的电荷密度使得Pt@NiFc-MOF在HER中获得最佳的△GH*，并对HzOR产生较低的能垒。

Mott-Schottky Barrier Enabling High-Performance Hydrazine-Assisted Hydrogen Generation at Ampere-Level Current Densities

王春栋，男，华中科技大学集成电路学院/武汉光电国家研究中心双聘教授、博士生导师，华中卓越学者。2013 年毕业于香港城市大学物理与材料科学系，获博士学位；2013 年-2015 年先后在香港城市大学，香港科技大学，比利时荷语鲁汶大学担任高级助理研究员，高级副研究员，鲁汶大学 F⁺研究员，比利时弗拉芒政府科学基金会FWO学者。2015 年加入华中科技大学先后任副教授、教授。研究工作主要包括氢能与燃料电池、小分子氧化机制、单原子纳米酶。王春栋教授是香港城市大学优秀博士论文奖获得者，获评/聘湖北省“楚天学者”计划，根特大学访问教授。担任Advanced Powder Materials 杂志特聘编委，Rare Metals和eScience杂志青年编委。长期担任Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater.,等四十余个国际著名杂志审稿人/仲裁人，香港研究资助委员会（RGC）和国家自然科学基金评审专家。

在J. Am. Chem. Soc., Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等杂志发表 SCI 论文 180 余篇，其中第一作者及通讯作者130余篇（含多篇高倍引/热点），他引1万余次， H-因子 56（谷歌学术）。作为项目负责人主持国家重点研发计划（政府间国际合作重点专项），国家自然科学基金3项（其中面上项目2项），湖北省重点研发计划等项目十余项。入选全球前2%顶尖科学家榜单（2021-2023），全球前十万科学家榜单。

课题组主页：https://www.wangcdlab.com/