ACS Catalysis：层状Co纳米片上的NiCu纳米粒子实现高效碱性全水解

电解槽中的电催化剂是实际调节水分解以有效地产生氢气的关键组分。良好的催化剂不仅具有较低的析氢反应(HER)和析氧反应(OER)过电位，而且性能良好的电催化剂还具有较高的稳定性、较低的电荷转移电阻(R_ct)和较高的交换电流密度。

在这种情况下，纳米复合材料或异质结构纳米材料可能是一种有效的电催化剂，因为它受到界面相互作用、结构、形态、组成和单个组分的性质的高度影响。这种具有两相固体材料的纳米复合材料，其中一相为二维(2D)，另一相为不同维度，有望有效地实现最大的界面相互作用。

基于此，德里大学Sasanka Deka等人通过渗透脱合金化的方法，将NiCu(NC)合金与Co纳米片相结合(NCDC)，并将其用作碱性介质中高效的HER、OER和全水解电催化剂。

本文首先在典型的三电极体系中，对制备的催化剂进行了HER性能测试。从线性扫描伏安图(LSV)中可以发现，在电流密度为10、50和100 mA cm^-2时，NCDC的过电位最低，分别为68、187和216 mV。

而对于其他催化剂，NCD的过电位(η₁₀=164 mV)较NC的过电位(η₁₀=181 mV)有所下降，纯CNS不利于HER(η₁₀=168 mV)。但是值得注意的是，除了NC，其他催化剂均可以达到1200 mA cm^-2的电流密度。

之后，水氧化反应的阳极扫描伏安法曲线表明，NCDC具有达到工业所需电流密度(1200 mA cm^-2)的最低OER过电位。并且在电流密度为50 mA cm^-2时，NCDC的过电位仅为175 mV。

有趣的是，只有Co纳米片(η₅₀=233 mV)的过电位接近NCDC，而NC(η₅₀=290 mV)、NCD(η₅₀=263 mV)和IrO₂(η₅₀=282 mV)的η值均高于CNS，该结果与在HER测试中得到的结果不同。

因此，OER主要依靠CNS，HER主要依靠NCD。由于NCDC的双功能特性可同时实现高效的碱性HER和OER，因此本文在1.0 M KOH电解质中，利用NCDC||NCDC进行了全水解测试。值得注意的是，NCDC||NCDC在10 mA cm^-2的电流密度下的电压仅为1.46 V，与其他报道的催化剂相比，这是迄今为止最低的全水解电压。

本文的实验研究结果表明，NCDC电催化剂在HER、OER和全水解方面具有优异的性能，主要归因于：1）在脱合金化过程中Ni的浸出和更多低配位铜的暴露，从而产生了更多针对于H_ads和HER的活性位点；2）二维层状Co-NS提供了一个大的表面积，减少了催化活性表面吸附活性物质(^*OH，^*O和^*OOH)的能垒，以促使催化剂获得更好的OER活性。

之后的理论计算结果表明，Co-H在CNS和NCDC中的距离分别为1.79 Å和1.82 Å，而Cu-H和Ni-H在NC、NCD和NCDC中的距离分别为1.45~1.46 Å和1.47 Å。此外，根据计算结果还可以发现，NCDC的ΔG(H^*)值最低，为0.02 eV，这说明其HER活性最好。这一结果也再次证明了NCDC是最佳的HER催化剂。

此外，从ΔG(H^*)也可以明显看出，与Co原子相比，Cu原子和Ni原子是HER的活性催化位点。另一方面，一个有效的OER催化剂不能在其活性位点上与活性物质(^*OH，^*O和^*OOH)发生强结合。

令人满意的是，纳米复合材料NCDC具有最低的吸附能，因此具有最低的能垒，这也使得其可以作为较好的OER催化剂。NC和NCD具有较高的能垒，则是因为它们对活性物质具有较强的吸附作用。总之，本文的研究结果为设计和制备性能优异的全水解催化剂提供了新的思路。

Designing Nanoarchitecture of NiCu Dealloyed Nanoparticles on Hierarchical Co Nanosheets for Alkaline Overall Water Splitting at Low Cell Voltage, ACS Catalysis, 2023, DOI: 10.1021/acscatal.3c02096.

https://doi.org/10.1021/acscatal.3c02096.

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