第一作者：刘淑杰
通讯作者：王鸣魁、申燕、赵川
通讯单位：华中科技大学，新南威尔士大学
论文DOI：10.1038/s41467-025-55856-4
高效、稳定的电催化剂是碱性水电解制氢技术的核心材料。如何通过精确调控电催化剂与关键反应中间体（H2O*、H和OH）的相互作用实现高效碱性水电解制氢是该技术成功应用的关键。在研究中，作者提出并制备了一种钇掺杂NiMo-MoO2异质结电催化剂，增强电极表面上水的解离以及关键中间体的吸附/脱附过程，在碱性环境中实现了优异的电催化分解水制氢。钇的掺杂导致NiMo-MoO2异质结构中的晶格发生膨胀，进而实现了NiMo合金的d带中心能级的调控，是实现水分子的吸附/分解以及H中间体的有效脱附的关键。进一步研究发现，钇的掺杂增加了MoO2−x中的氧空位浓度，是提升电荷传输以及促进实现活性位点上的*OH中间体脱附的关键。基于Y-NiMo/MoO2−x异质结的电极具有优异的电催化性能，在含碱性水和海水的电解液中实现2.0 A cm−2的电流密度仅需的过电位为189 mV和220 mV。本研究提出的调控异质结催化剂的新策略，为绿氢制备提供了可扩展且经济可行的解决方案。
利用可再生能源电解水制氢是绿氢制备的核心。碱性水电解（AWE）因工艺设计简单、技术成熟和低成本运行成为制氢的主流技术。然而，AWE在高电流密度和能量效率方面仍然面临挑战，限制了其在大规模工业应用中的发展。相比之下，阴离子交换膜水电解（AEMWE）以其更高的离子电导率和更优的能量效率，具有工业规模应用的极大潜力。如何防止高电流密度下电解质的快速消耗以及避免气泡层的形成对催化剂的活性和稳定性是本领域的重要挑战。NiMo/MoO2异质结的表面能调控能力和水解离与氢吸附的协同效应，是碱性HER的理想候选材料。然而，在高电流密度工作环境中其电荷传输效率和内在活性仍需进一步提升。
(1) 面向碱性环境HER中调控反应中间体和活性位点相互作用的目的，提出钇掺杂NiMo/MoO2−x异质结电催化剂，显著提升材料的催化活性和工作稳定性。
(2) 钇的掺杂改变了NiMo合金的d带中心能级位置，进而调控水分子的吸附/分解以及H中间体的有效脱附。钇的掺杂增加了MoO2−x中的氧空位浓度，提升电荷传输和促进活性位点上的*OH中间体脱附。
(3) Y-NiMo/MoO2−x异质结表现出卓越的电催化效率，在碱性水和海水中仅需189 mV和220 mV的过电位即可达到2.0 A cm−2的大电流密度，并且具有2000小时的超长稳定性。
钇掺杂的NiMo/MoO2−x 电催化剂是通过在泡沫镍上生长 Y-NiMoO4并将其还原以形成 Y-NiMo/MoO2−x来合成的。SEM和TEM图像显示了纳米棒形态以及在MoO2上存在 NiMo合金纳米颗粒。由于钇的掺杂，导致晶格膨胀和结构变化，氧空位浓度从NiMoO4中的5.4%增加到Y-NiMo/MoO2−x中的21.9%。XAS结果表明，钇掺杂增强了NiMo/MoO2异质结构的稳定性和电子转移性能。Ni和Mo的氧化态降低，Ni-Mo和Mo-O键的长度缩短，表明钇掺杂加强了金属间相互作用。钇原子在Y-NiMo/MoO2−x中均匀分布，与NiMo合金和MoO2中的金属和氧原子配位，未形成聚集体。
我们在 KOH电解液中评估Y-NiMo/MoO2−x电催化剂的HER电化学性能。结果显示，钇掺杂显著提高了催化剂的HER活性，Y-NiMo/MoO2−x电极在高电流密度下展现出低过电位，且比NiMo/MoO2电极具有更高的电催化效率。钇掺杂改善了催化剂的表面润湿性，促进了质量传输，增强了电流密度下的催化性能。长期稳定性测试显示，Y-NiMo/MoO2−x在1,000 mA cm−2的高电流密度下保持了稳定的性能，且在2,500小时后只有22 mV的过电位增量，显著优于NiMo/MoO2。
不同电位EIS测试表明钇Y-NiMo/MoO2−x电极在低驱动电位下促进了水分子吸附及中间体生成，从而加速了反应动力学。氧空位提高了MoO2−x的导电性，而钇掺杂调节了NiMo合金的d带中心。钇掺杂降低了水解离的能垒，并通过减弱H吸附能提高氢气生成效率。氧空位有助于减少*OH的吸附。
图2. 碱性海水分解性能测试
考虑到Y-NiMo/MoO2−x电极在碱性电解质中表现出的优异HER性能，我们进一步评估了其在海水电解中的潜在应用。Y-NiMo/MoO2−x电极在碱性海水中的HER性能被评估，结果表明该电极在模拟和天然碱性海水中的过电位与纯碱性电解液相似，表现出优异的HER活性。Y-NiMo/MoO2−x显示出优异的抗腐蚀性能。
Y-NiMo/MoO2−x与NiFe LDHs电极组成的电解槽在天然碱性海水中表现出优异的水分解性能，在80°C下仅需1.78 V和2.05 V即可实现1 A cm−2和2 A cm−2电流密度，且在500 mA cm−2和1,000 mA cm−2下稳定运行24小时，展示出其优异的工业应用潜力。
本工作制备了一种钇掺杂的NiMo/MoO2-x异质结，优化碱性体系中的水解离和中间吸附/解吸，实现高电流密度条件下（2 A cm-2）碱性电解水稳定制氢。钇掺杂NiMo/MoO2-x异质结电催化剂在碱性和海水中均表现出优异HER性能，为高效稳定绿氢制备提供了电催化剂的解决方案。
Liu, S., Zhang, Z., Dastafkan, K. et al.Yttrium-doped NiMo-MoO2 heterostructure electrocatalysts for hydrogen production from alkaline seawater. Nat Commun 16, 773 (2025).
https://doi.org/10.1038/s41467-025-55856-4
王鸣魁，华中科技大学/武汉光电国家研究中心，教授，从事光电化学研究，包括钙钛矿光伏及其应用，是全球高被引科学家。发表研究论文290余篇、授权专利30余项。论文引用2.8万余次，H指数86。
申燕，华中科技大学/武汉光电国家研究中心，教授，从事光电催化/电催化还原二氧化碳、光电催化/电催化水分解研究。已发表140 余篇期刊论文，文章引用1万余次，H指数为60。
赵川，澳大利亚新南威尔士大学，终身教授，是澳大利亚工程院（ATSE）院士、皇家澳大利亚电化学会主、，澳大利亚研究委员会Future Fellow、英国皇家化学会会士（FRSC）、澳洲皇家化学会会士（FRACI）、和皇家新南威尔士会会士（FRSN）。赵川教授的研究重点是发现新型电化学方法、纳米材料和离子液体及其对电化学储能和转换的影响，以及传感器应用，包括水分解制氢、氢燃料电池、二氧化碳还原、氨合成和电池。
华中科技大学王鸣魁教授课题组聚焦钙钛矿太阳能电池、电解水制氢等研究，积极推进新能源技术产业化。
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