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【稀土增强电催化】AFM：氧化铕诱导多位点协同促进水解离增强碱性析氢反应

邃瞳科学云

2024-07-04

导读：本工作通过电沉积策略成功构建了Eu2O3-NiC异质催化剂，通过Eu2O3诱导的多位点协同作用来促进碱性HER反应中的水解离，从而有效提升了NiCo组分的HER活性与稳定性。

第一作者：朱钰

通讯作者：唐亚文*，付更涛*

单位：南京师范大学

文章简介

Ni与Pt属于同一主族，具有相似的化学性质，因此Ni基催化剂被认为是析氢反应（HER）Pt基催化剂的有效替代者。通常，碱性HER反应Volmer步骤中H-OH键裂解需要额外的能量。由于Ni基催化剂缺乏足够的H₂O吸附位点，其在碱性介质中表现出缓慢的HER动力学。考虑到稀土氧化物独特的亲氧性和氧空位，理论上可以为含氧中间体提供丰富的吸附位点，从而优化HER反应中含氧中间体的吸附强度。另一方面，稀土元素独特的4f^x5d^y6s²轨道能够有效调节催化剂的电子态与表面态，为调控催化剂的本征活性提供了有效途径。因此，通过引入稀土氧化物可以潜在地提升Ni基催化剂在HER反应中的H₂O吸附与增强HER性能。

近日，南京师范大学付更涛教授与唐亚文教授团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Europium Oxide Evoked Multisite Synergism to Facilitate Water Dissociation for Alkaline Hydrogen Evolution”的研究文章。本工作通过电沉积策略成功构建了Eu₂O₃-NiC异质催化剂，通过Eu₂O₃诱导的多位点协同作用来促进碱性HER反应中的水解离，从而有效提升了NiCo组分的HER活性与稳定性。通过原位增强拉曼光谱和理论计算深入探讨并揭示了Eu₂O₃增强NiCo组分HER性能提升机制。一方面，亲氧性的Eu₂O₃提供了充足的H₂O吸附位点，促进了H₂O的解离和羟基转化，加速了HER反应的Volmer步骤。另一方面，Eu₂O₃-NiC异质结构性质诱使NiCo表面电荷重新分布和异质界面电子结构的改变，有效优化含氧中间体的吸附能，增强HER性能。

本文要点

要点一：电沉积法构建Eu₂O₃-NiCo

针对稀土和过渡金属的物化性质、结晶行为等大的差异，本工作通过电沉积法制备了Eu₂O₃-NiCo的异质结构。合成的Eu₂O₃-NiCo具有粗糙多孔的表面特征和超薄片层结构，此结构有利于增加催化剂与电解液的接触，暴露更多的催化活性位点，提高电子转移效率。实验证实，Eu₂O₃-NiCo异质结构内部强烈的电子耦合效应通过局域电子重构改变了异质界面的电子结构，赋予Eu₂O₃-NiCo催化剂良好的电催化性质。

要点二：Eu₂O₃-NiCo 增强HER性能

实验和理论研究表明，Eu₂O₃-NiCo异质结构诱导的多位协同作用可较好地促进碱性HER反应性能。在10 mA cm^-2条件下，Eu₂O₃-NiCo表现出较低的HER过电位（60 mV）、低的活化能（E_a = 32.25 KJ mol^-1at -0.16 V）以及良好的长程稳定性，其HER性能表现优于NiCo合金和已报道的较多Ni基催化剂。类似的HER性能增强也可扩展到其它REO-NiCo催化剂 (RE = Dy, Ho, Lu和Yb)。

要点三：Eu₂O₃-NiCo增强HER机制

通过原位增强拉曼光谱和理论计算深入探讨并揭示了Eu₂O₃增强NiCo组分HER性能的机制。主要归因于以下两个主要方面：1）Eu₂O₃良好的亲氧性为H₂O分子吸附提供了充足的吸附位点，Eu₂O₃与NiCo之间协同作用促进了H-OH键的断裂，从而加速了碱性HER反应的Volmer步骤，改善了反应的动力学；2）Eu₂O₃-NiCo异质界面处的电子耦合效应引发了NiCo电子结构的变化，有效促进了电荷转移过程。理论计算研究表明，这种电子重组优化了反应中间产物的吸附能，改善了NiCo的本征活性，从而增强了HER活性。本工作不仅为设计高效HER催化剂提供了重要借鉴，也为理解稀土氧化物增强HER性能提供了一定的参考。

文章链接

Europium Oxide Evoked Multisite Synergism to Facilitate Water Dissociation for Alkaline Hydrogen Evolution

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202409324

作者简介

付更涛，南京师范大学教授、博士生导师，国家级青年人才、江苏省特聘教授、南京师范大学“中青年领军人才”。2017年博士毕业于南京师范大学，随后在新加坡南洋理工大学、美国得克萨斯大学奥斯汀分校从事博士后研究工作，2021年入职南京师范大学化科院。研究领域为能源电化学，尤其聚焦于稀土增强电催化方向的研究。目前以通讯作者/第一作者在Angew. Chem., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Nano Lett., Chem. Sci.等期刊发表论文100篇，其中28篇入选ESI高被引论文，论文总被引>12000，h指数68，授权发明专利10余项。主持国家自然科学基金面上项目、青年基金项目、国家重点研发计划子课题、江苏省自然科学基金面上项目、南京留学人员科技创新项目等。入选教育部青年长江学者、江苏省特聘教授、科睿唯安“全球高被引科学家”、全球前2％顶尖科学家等。担任江苏省化学化工学会理事，Adv. Powder Mater., JMMM期刊编委，Carbon Energy, Mater. Today Energy, Chem. Synth., Rare Metal等期刊青年编委。

唐亚文，南京师范大学教授、博士生导师，南京师范大学化学与材料科学学院院长、中国化学会理事、江苏省化学化工学会理事、江苏省电化学专业委员会主任、江苏省新型动力电池重点实验室主任、江苏省氢燃料电池汽车产业研究中心委员、江苏省教育学会化学教学会理事长。主要研究方向为能源材料、电化学。在Angew、Adv Mater、Adv Energy Mater、Adv Funct Mater、Nano Lett、Nano Energy、ACS Nano、Chem Sci等期刊发表SCI论文300余篇，H因子69；申报和授权国家发明专利36件；主编教材/专著3部；主持国家863项目和国家自然科学基金项目等8项，省部级4项；获江苏省教学成果二等奖两项，省科学技术奖两项。南京师范大学奕熙精英教师奖、教书育人奖、师德先进个人奖获得者。

朱钰，南京师范大学博士生。主要研究方向为稀土基材料在能源及催化领域中的应用。目前以第一作者在Adv. Funct. Mater.、Small, Chem. Catal.等期刊发表论文3篇。

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