青科大AEM：异质界面调控d-p轨道杂化策略增强OER活性！

电化学氧析出（OER）反应作为电解水的半反应，其缓慢的四电子动力学过程制约了电解水效率的进一步提升。目前商用的贵金属基OER催化剂面临着耐久性不足和高成本的问题，难以满足大规模应用的需求。因此开发新一代高效非贵金属OER催化剂具有重要意义。

近期，青岛科技大学王磊教授和徐广蕊副教授等人报道了一种新型MoNi基催化剂–NiMoO₄@Mo₁₅Se₁₉/NiSe₂壳核结构纳米阵列材料，并成功应用于OER和高效电解水反应。该材料独特的纳米线-纳米片结构有效的增加了活性比表面积和传质过程，加快了OER进程。另外，该材料中异质界面的引入也打破了对称的电子构型，增加了原子间的d-p轨道杂化程度，有效的降低了OER过程的决速步能垒，提高了反应活性。相关研究论文以“Tuning d-p Orbital Hybridization of NiMoO₄@Mo₁₅Se₁₉/NiSe₂ Core-Shell Nanomaterials via Asymmetric Coordination Interaction Enables the Water Oxidation Process”为题发表在Adv. Energy Mater.期刊上。

研究背景

氢能源以其环境友好和热值高等优势被认为是新一代理性能源载体。在众多制氢技术中，电解水制氢具有清洁安全、工艺简单的优势，是当下最有潜力的技术之一。然而，在电解水过程中，与两电子反应的氢析出反应（HER）相比，氧析出反应（OER）是一种更复杂的多步反应，由于缓慢的四电子转移过程和高反应能垒，成为限制整个电解水过程中的最关键障碍。目前商业上使用的OER催化剂（如IrO₂和RuO₂）OER面临着耐久性差和高成本的问题，限制了它们的广泛应用。因此，迫切需要开发资源丰富、低成本和稳定耐用的高效OER电催化剂，以克服反应动力学缓慢和高能垒的问题。

图文导读

图1. NiMoO₄@Mo₁₅Se₁₉/NiSe₂壳核阵列样品的合成示意图及结构成分表征

图2. NiMoO₄@Mo₁₅Se₁₉/NiSe₂的物相分析及接触角测试

样品制备方面（图1），NiMoO₄@Mo₁₅Se₁₉/NiSe₂壳核结构材料通过两步法来生长在泡沫镍基底上。通过SEM和TEM表征可以看出，样品表现为纳米线（NiMoO₄）外层覆盖超薄纳米片（Mo₁₅Se₁₉/NiSe₂），形成阵列结构。这种新型的纳米线-纳米片阵列结构不仅能够提供较高的比表面积和丰富的活性位点，同时还可以加速电解水过程中气泡的释放，有利于提高电解水效率。高分辨TEM和元素分析证明了异质结构的存在以及各元素分布情况。随后，作者通过XRD、Raman和XPS等表征手段（图2）对样品中的各物相组成以及元素价态进行了全面分析，证明了基底和异质结构的物相构成。接触角测试方面，相对于其他对比样，NiMoO₄@Mo₁₅Se₁₉/NiSe₂表现出更优异的亲水性和疏气特性，可以提高电解质的渗透率以及气体的快速排出，提高电解水性能。

图3. OER性能测评

OER（1 M KOH）性能测评方面（图3），NiMoO₄@Mo₁₅Se₁₉/NiSe₂壳核结构阵列样品在电流密度为100 mA cm^-2下的过电位仅为195 mV，远低于对比样NiO/NiSe₂（310 mV）, MoO₂/Mo₁₅Se₁₉ （350 mV）, NiMoO₄（400 mV）以及商业RuO₂（330 mV）的性能。其较好OER活性可归因于NiMoO₄@Mo₁₅Se₁₉/NiSe₂壳核结构阵列样品更快的动力学过程，更高的电化学比表面积以及较低的界面电荷转移电阻。另外，该样品还表现出优异的耐久性，连续工作100小时后性能没有明显衰减。

图4. 海水电解性能测评

随后，作者又测评了材料的海水电解性能（图4）。NiMoO₄@Mo₁₅Se₁₉/NiSe₂壳核结构阵列样品在模拟海水（1M KOH + 0.5M NaCl）和真实海水（1M KOH + 海水）电解液中的过电位分别为220 mV和224 mV（电流密度为100 mA cm^-2），依旧优于对比样和商业催化剂性能。稳定性方面，在真实海水电解测试过程中，该材料能维持100小时的稳定工作，电流密度只有略微降低，证明了材料较好的实用性。

图5. 理论计算分析

机理分析方面（图5），作者构建了Mo₁₅Se₁₉/NiSe₂异质结构模型进行了相关理论计算研究。差分电荷密度图显示了界面处存在着明显的电子转移现象，随后的COHP分析证明Ni 3d轨道、Mo 4d轨道和Se 4p轨道间相对较强的d-p轨道杂化作用，有利于加速OER过程。另外，台阶图计算直观的揭示了Mo₁₅Se₁₉/NiSe₂异质结构具有更低的决速步能垒，因此表现出最优的OER性能。

总结展望

综上所述，本文作者成功构筑了具有异质结构NiMoO₄@Mo₁₅Se₁₉/NiSe₂壳核阵列催化剂，其纳米线-纳米片结构有效的增加了催化剂的比表面积和亲水疏气特性。除此之外，异质界面的引入也带来了非对称的电子界面构型，有效的降低了OER过程中的决速步能垒，提高了OER活性。该工作也为为了新型异质结构催化剂的开发提供了新的思路。

文献信息

Qiong Zhang, Wen Zhang, Jiawei Zhu, Xinyuan Zhou, Guang-Rui Xu,* Dehong Chen, Zexing Wu, Lei Wang, Tuning d-p Orbital Hybridization of NiMoO₄@Mo₁₅Se₁₉/NiSe₂ Core-Shell Nanomaterials via Asymmetric Coordination Interaction Enables the Water Oxidation Process. Adv. Energy Mater. 2024, 2304546. 10.1002/aenm.202304546

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