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氢气因其无污染、高能量密度及便捷的储存和运输方式，被认为是未来可持续能源的重要候选之一。在电解水制氢的过程中，碱性析氢反应（HER）因其能源转换效率而备受关注。然而，镍基电催化剂在碱性介质中析氢效率受限于其不利的d带中心位置。该研究利用单碘原子引入的策略，有效调控镍基催化剂的d带中心，显著提升了析氢性能。
成果简介
本研究通过单碘原子策略成功调控了镍基电催化剂的电子结构，增强了其碱性析氢反应（HER）的催化性能。研究采用共振非弹性X射线散射（RIXS）光谱等先进的同步辐射技术，揭示了单碘原子的引入如何通过形成局域极化电场来促进水的解离，进而优化中间体的吸附与脱附能力。最终，I-Ni@C催化剂在10 mA/cm²电流密度下展现出仅78 mV的超低过电位，并表现出优异的长期稳定性，优于大多数已报道的镍基催化剂。
研究亮点
创新性单碘原子策略
通过将单碘原子引入碳包覆镍纳米颗粒的表面，实现了对镍d带中心的精确调控，从而改善了催化剂的析氢性能。先进表征技术揭示机制
使用共振非弹性X射线散射（RIXS）光谱、同步辐射傅里叶变换红外光谱（SR-FTIR）等技术，深入研究了催化剂的电子结构变化和反应动力学。显著提升的析氢性能
I-Ni@C在碱性介质中展现出卓越的析氢性能和稳定性，在20 mA/cm²电流密度下连续工作80小时后仍保持优良的催化活性。
配图精析
图1：I-Ni@C催化剂的合成及表征。展示了通过气相扩散法将单碘原子引入碳包覆镍纳米颗粒表面的过程。包括HAADF-STEM图像，确认了碘原子的均匀分布，以及X射线吸收精细结构（XAFS）分析结果，用于表征I-Ni@C中的电子结构和原子分布。
图2：共振非弹性X射线散射（RIXS）光谱数据。图中展示了I-Ni@C、Ni@C和I-Ni在Ni L边缘的RIXS信号的差异，显示出碘的引入如何提高镍的价态，帮助形成内建电场并优化析氢反应中间体的吸附与脱附行为。
图3：I-Ni@C与参比样品在碱性析氢反应中的性能对比。包括线性扫描伏安（LSV）曲线、塔菲尔斜率、不同扫描速率下的电流与扫描速率关系，以及长期稳定性测试结果，展示了I-Ni@C在较低过电位下具有显著的催化活性与稳定性。
图4：I-Ni@C的电子结构和反应机制分析。包括Ni 2p和I 3d的NAP-XPS光谱，显示了不同条件下I-Ni@C的化学环境变化，以及不同催化剂在碱性析氢反应过程中自由能变化的比较，揭示了碘原子调控镍d带中心的机制。
展望
该研究通过单碘原子的引入，有效调控了镍基电催化剂的电子结构，显著提升了其在碱性析氢反应中的性能。这种创新策略为设计新型高效电催化剂提供了新的思路，具有广泛的应用前景。
文献信息
期刊：Journal of the American Chemical Society
DOI：https://doi.org/10.1021/jacs.4c07607
原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c07607
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