1300h！陈忠伟院士，最新Angew！

中科院大连化物所陈忠伟院士团队联合北京化工大学曹达鹏、河南工业大学许晓培等人提出构建晶格匹配和高电导率双氮金属异质结构策略，制备出WN - NiN/CFP催化剂，该催化剂在碱性水电解析氢反应中表现出优异性能，相关成果发表于《Angew》2024年刊。具体介绍如下：研究背景碱性水电解技术（AWE）可将电能转化为绿色氢气，在清洁能源领域作用重大。碱性条件下析氢反应（HER）动力学比酸性条件下慢2 - 3个数量级。优化碱性HER反应中氢和羟基中间体的吸附/解吸过程、提高电催化剂导电性利于提高反应速率和活性。成果内容制备策略：提出构建合适晶格匹配和高电导率的双氮金属异质结构策略，制备WN - NiN/CFP催化剂。性能优势：异质界面上电荷重新分配产生电子积聚的W - W位点，降低Op - Wd和Hs - Wd轨道间相互作用，促进OH - 转移和H?释放。在10 mA cm?2下具有36.8 mV的低过电位，100 mA cm?2下具有1300小时的运行稳定性。图文导读相关成果形貌及结构表征：采用水热法在碳纤维纸（CFP）上生长W/Ni氢氧化物，再氮化得到WN - Ni/CFP复合材料。XRD图显示成功制备双金属氮化物催化剂；SEM图像显示其具有独特花瓣状纳米片形貌且表面多孔；TEM和HRTEM图像显示纳米片由交织纳米颗粒组成且有明显非均相界面；EDX显示N、Ni和W元素均匀分布。电子迁移过程表征：采用多种手段表明电子跨越Ni3N和WN异质界面的迁移过程。电荷密度差分图显示电子在界面大量聚集；巴德电荷密度分析证实从Ni3N到WN转移0.8个电子；垂直静电电位梯度显示Ni3N电位比WN低；功函数计算表明电子从NiN/CPF向WN/CFP迁移；XPS光谱显示电子在WN - NiN/CFP中从Ni3N流向WN。电子结构表征：采用X射线吸收近边结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）技术表征。WN - NiN/CFP和NiN/CFP中Ni吸收边接近标准Ni箔，异质结构中Ni价态升高；k3加权扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）在R空间的傅里叶变换（FT）显示N加入后Ni - Ni键变长；小波变换（WT）图像强调材料具有金属性质；与WN/CFP相比，NiN - WN/CFP的W L3近边显示异质结构中W原子获得电子；FT - EXAFS光谱显示成功制备双金属异质结构并阐明电子转移机制。HER性能：采用三电极体系在1 M KOH溶液中评价性能。达到10 mA cm?2和100 mA cm?2电流密度所需过电位分别为36.8 mV和150.6 mV，性能显著优于NiN/CFP及WN/CFP，与商业Pt/C相当；塔菲尔斜率低于NiN/CFP和WN/CFP，证明其具有快速高效的HER动力学；双电层电容Cdl最高，表明具有优异电化学活性；表现出优异稳定性，电流密度在60小时后始终保持在初始水平。采用两电极体系评估总体水分解活性，WN - NiN/NF||WN - NiN/NF电解槽性能超过IrO?/NF||Pt/C/NF和泡沫Ni||泡沫Ni电解槽，在100 mA cm?2高电流密度下可稳定运行1300小时，性能明显优于文献中记载的大多数采用非贵金属催化剂的电解槽。碱性HER活性提升的机制分析：采用密度泛函理论（DFT）计算研究潜在机制。碱性HER过程包括四个步骤，催化剂活性与ΔG?，ΔG?，ΔG?和ΔG?值密切相关。与Ni3N、WN和垂直Ni3N@WN相比，平面内Ni3N - WN异质结构具有较低理论过电位，表现出最佳碱性HER性能。偏态密度（PDOS）图显示Ni3N - WN体系对H吸附能力减弱，Ni3N - WN界面有效协调末端氢释放过程。OH在Ni3N和Ni3N - WN上吸附位点不同，异质结构有效优化OH脱附。定量价电子轨道分析显示Ni3N - WN异质结构对H和O中间体吸附比单一WN更弱，其高HER活性源于界面上电荷独特的逃逸和捕获行为。文献信息：成果以“Customizing Bonding Affinity with Multi - Intermediates via Interfacial Electron Capture to Boost Hydrogen Evolution in Alkaline Water Electrolysis”为题发表于《Angew》2024年刊。