王鸿静副教授、王亮教授，Small观点：B插层诱导Rh金属烯相变用于过氧化氢氧化耦合电解水节能产氢

第一作者：邓凯

通讯作者：王鸿静*，王亮*

单位：浙江工业大学

在众多的制氢技术中，整体水电解（OWE）被认为是一种环保、高效的无污染制氢途径。然而，其阳极析氧反应（OER）动力学缓慢以及缺乏高效的电催化剂等问题，限制了OWE的效率，导致这一技术的发展受到了极大的阻碍。

鉴于此，本文报道了一种B元素插层的方法制备非晶/结晶异相RhB（h-RhB）金属烯，并通过过氧化氢氧化取代阳极OER耦合电解水，降低了整体电解电压。这项工作为合成具有异相结构的金属烯材料提供了强有力的策略，同时也为电解水节能制氢提供了一条有效途径。

基于此，来自浙江工业大学的王亮教授团队，在国际知名期刊Small上发表题为“Boron-Intercalation-Induced Phase Evolution of Rh Metallene for Energy-Saving H₂ Production by H₂O₂ Oxidation Coupled with Water Electrolysis”的观点文章。该观点文章提出了一种合成异相RhB金属烯材料的强有力策略，同时构建了过氧化氢氧化辅助电解水节能制氢的新型混合电解水体系。

催化剂的催化性能与其结构和形态密切相关。最近，一类新型的类石墨烯二维（2D）金属烯材料，被证明是非常有前途的催化剂，可应用于能源转换和电催化反应。与块状同类材料相比，原子级厚度的金属烯结构表现出特殊的高原子利用率、表面和量子封闭效应，以及可调整的电子特性和高导电性，导致特殊的催化活性。

该观点文章通过HCHO分解产生的CO作为表面封端剂来合成Rh金属烯。原位生成的CO强烈地吸附在Rh(111)面上，这限制了Rh的生长，最终生成Rh金属烯。

图1. h-RhB金属烯的（a）HAADF-STEM，（b-d）低倍和高倍TEM，（e）AFM和（f）HAADF-STEM以及相应的元素分布图像。

要点二：异相RhB金属烯结构的构建

通过纳米材料的相工程构建异相纳米结构，特别是晶体/非晶异相结构，可以有效地改变和提高其电催化性能。与长程有序的晶体结构相比，晶体/非晶异相结构提供了丰富的相界和暴露的不饱和活性位点。B元素插层法是制备非晶/晶质异相结构的有效途径之一。

B诱导的Rh金属的晶体结构演变涉及到一个晶体到晶体/非晶体再到非晶体的过程。B原子成功插入Rh金属中，使得Rh-Rh原子间距扩大，诱发了非晶区域的生成。随着硼化时间增加，无定形相区变得越来越突出，最终形成了一个富含相界的晶体/非晶异相结构。

图2.（a）硼化过程的示意图。（b）Rh金属烯的HRTEM和SEAD图像。（c）h-RhB金属烯的HRTEM图像。I是（c）中晶体区域的晶格条纹和相应的FFT模式，II是（c）中非晶区域的相应FFT模式。（d）a-Rh金属烯的HRTEM和SAED图像。（e）催化剂的XRD图。（f）Rh和h-RhB金属烯晶体结构。

要点三：RhB金属烯的电子结构

与Rh金属烯的Rh 3d_5/2峰（307.31 eV）相比，h-RhB金属烯（307.01 eV）表现出0.30 eV负移，对应于RhB合金中电子从B转移到Rh。经Bader电荷计算分析，RhB合金中的B呈现正电荷特性，Rh呈现负电荷特性，进一步证实了电子从B到Rh的转移。基于异相金属结构和Rh与B之间的电子协同效应，优化后的h-RhB金属烯在析氢反应（HER）和过氧化氢电氧化反应（HPOR）中表现出卓越的性能。

图3.（a）Rh和h-RhB金属烯的Rh 3d的XPS光谱。（b）h-RhB金属烯B 1s的XPS光谱。（c）h-RhB金属的Bader电荷图。蓝色和红色分别代表电子富集和电子缺失。（d）h-RhB金属烯模型上的电子密度差。（e和f）分别是h-RhB金属烯上的电子密度差的俯视图和侧视图。

要点四：氧化氢氧化辅助电解水节能制氢的新型混合电解水体系

用热力学上更有利的电氧化反应取代OER是从根本上降低电催化制氢能耗的一种替代策略。过氧化氢（H₂O₂）具有较低的理论氧化电位（0.146 V vs. RHE），明显低于OER（1.23 V vs. RHE），在阳极容易被电氧化（HO^2- + OH^- → O₂ + H₂O + 2e^-）。当与H₂O₂氧化反应结合时，h-RhB金属烯||h-RhB金属烯电解水双电极系统与整体电解水（1.35 V）相比，表现出较低的电池电压0.379 V（@ 10 mA cm^-2）。

图4.（a）双电极H₂O₂氧化辅助电解水系统的示意图。（b）在0.5 M H₂SO₄ + 1 M H₂O₂电解液中和在0.5 M H₂SO₄电解液中使用h-RhB金属烯作为阳极和阴极的LSV曲线的比较。（c）达到不同电流密度所需过电位的比较。（d）在10 mA cm^-2下记录20小时的时间电位图。

Boron-Intercalation-Induced Phase Evolution of Rh Metallene for Energy-Saving H₂ Production by H₂O₂ Oxidation Coupled with Water Electrolysis

王鸿静副教授：在日本早稻田大学获得博士学位，现任浙江工业大学化学工程学院副教授、硕士生导师。研究方向为能源电催化，已发表论文150余篇，撰写英文专著章节3篇，获日本授权专利1项，中国授权专利2项。入选浙江省高等学校“钱江学者”特聘教授、浙江省“新世纪151人才工程”第一层次、浙江省高校领军人才培养计划（高层次拔尖人才）。

王亮教授：在中国科学院研究生院（北京）获得博士学位，随后在中国科学院长春应用化学研究所和日本国立材料科学研究所从事博士后研究工作。现任浙江工业大学化学工程学院教授、博士生导师，担任中国石油和化学工业联合会电化学能源转换重点实验室主任。入选国家海外高层次人才引进计划青年项目、浙江省特聘专家、浙江省高等学校“钱江学者”特聘教授。

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