▲共同一作：黃華偉，徐亮亮
通訊作者：張華彬
通訊單位：沙特阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）
論文DOI：10.1002/adma.202405128?（點擊文末「閱讀原文」，直達鏈接）
在堿性電解水制氫技術（AWE）和陰離子交換膜電解水制氫技術（AEMWE）中，陰極的析氫反應（HER）由于水解離步驟的高能量障礙，顯著限制了其效率。然而，堿性環境下的析氫反應速度較酸性環境下的析氫反應慢。因此，開發高效、穩定的非貴金屬催化劑，對于實現可持續的氫氣生產至關重要。
本工作通過相工程策略構建了由晶態Ni4W和無定形WOx組成的異質結構，以提升堿性HER催化性能。該工作系統調控了無定形WOx中鎢的氧化態，以調整相邊界的電子狀態、降低水解離步驟的能量障礙，并優化中間體在堿性析氫反應過程中的吸附/脫附特性。優化后的催化劑（Ni4W/WOx-2）具有較少的氧原子配位的準金屬態的鎢，表現出了優異的堿性HER性能（22 mV@10 mA cm?2）。此外，結合原位同步輻射表征技術和理論計算分析揭示了優化后的無定形WOx中的鎢原子是水解離的活性位點，而晶態Ni4W中的鎳原子促進了氫氣的釋放。這些發現為設計高效的異質結構材料提供了寶貴的見解，表明晶態/無定形異質結構材料設計在提升能源存儲和轉換技術方面具有巨大潛力。
1. 實現了通過晶態/無定形異質結構中單組分氧化態調控優化界面電子結構
2. 揭示了晶態/無定形異質結構在堿性HER催化過程中的活性成分和反應機制
Figure 1. 催化劑的結構表征
HAADF-STEM證實了Ni4W/WOx晶態/無定形異質結構
Figure 2. 催化劑中Ni、W電子結構分析
同步輻射X射線吸收光譜（XAS）分析結果證實我們實現了Ni4W/WOx晶態/無定形異質結構中WOx物種的單組分氧化態調變。
Figure 3. 堿性HER催化性能測試
通過調變單組分無定型WOx的氧化態可優化Ni4W/WOx晶態/無定形異質結構的堿性HER性能，最優性能可達到22 mV@10 mA cm?2。
Figure 4. 機理研究和理論計算
理論計算結果表明通過調變WOx單組分的氧化態可以優化Ni4W/WOx晶態/無定形界面電子結構，是堿性HER過程中水分解能壘大大降低，適量氧配位的準金屬態WOx與Ni4W形成的界面對于堿性HER具有最高的本征催化活性。
?Figure 5. 原位同步輻射及理論計算分析
通過原位同步輻射表征技術和理論計算分析發現，優化后的無定形WOx中的鎢原子是水解離過程中的活性位點，而晶態Ni4W中的鎳原子則有助于氫氣的釋放。
綜上所述，本研究工作通過相工程策略成功構建了由晶態Ni4W和無定形WOx組成的異質結構催化劑，并通過調控無定形WOx中鎢的氧化態，實現了相邊界電子狀態的優化。優化后的催化劑Ni4W/WOx-2在堿性析氫反應中展現了優越的催化性能，表現優于商業Pt/C催化劑。這些結果通過實時X射線吸收光譜分析和理論計算得到了驗證，揭示了鎢原子在水解離中的關鍵作用和鎳原子在氫氣釋放中的輔助作用。這項研究為設計高效的異質結構催化劑提供了新的思路，展示了晶態/無定形材料在提升催化性能方面的巨大潛力。
張華彬教授簡介：2020年12月加入阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）, 化學科學系，擔任獨立PI, 博士生導師。曾榮獲得國家高層次青年人才和中科院百人計劃等稱號。張華彬博士于2013年于中國科學院獲得博士學位，同年于中國科學院擔任助理研究員。2014年至2017年于日本國立物質研究所進行博士后研究。并于2017年3月份加入新加坡南洋理工大學(Research fellow)。長期致力于構筑單原子催化劑在能源轉化與環境優化領域的應用。目前已發表論文/專著章節150余篇，文章引用次數17000余次，H因子67。其中多篇文章以第一/通訊作者發表在Sci. Adv., PNAS,?Joule, Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater.,?ACS Nano, Nano Energy等國際著名期刊。
https://acse.kaust.edu.sa/
Advanced Catalysis of Sustainable Energy (ACSE), headed by Huabin Zhang (Assistant Professor of Chemistry) in the KAUST Catalysis Center.
Lab of ACSE focuses on the development of single-atom catalysts with the particular configuration for sustainable energy conversion, including photocatalysis, electrocatalysis, and thermal catalysis. Our research also extends to the operando investigation for monitoring the structural evolution of the reactive centers, as well as the mutual interaction between the reactive center and reactant in the catalytic process.
