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电解水制氢技术是推动绿色能源可持续发展的重要关键。然而，传统的贵金属催化剂，例如铂（Pt）和二氧化钌（RuO₂），因成本高昂且稳定性不足，严重阻碍了其在工业领域的广泛应用。因此，研发出成本低廉、性能卓越且适用于各种pH值条件下的水分解催化剂，成为了制约大规模制氢技术发展的关键环节。本文介绍了一种创新的高熵双金属硼化物催化剂，该催化剂通过精心调控其异质结构和电子分布，成功实现了在全pH范围内的高效水分解反应。
成果简介
科研团队研制出一种新型高熵双金属硼化物（NixB/Mo0.8B3，简称NMB）纳米棒催化剂，其表面覆盖有一层富含硼的无定形层，形成了独特的异质结界面构造。实验数据显示，该催化剂在广泛的pH值范围内均展现出了极低的析氢反应（HER）过电位，具体为碱性环境下15 mV、酸性环境下26 mV、中性环境下83 mV。同时，在碱性析氧反应（OER）中，该催化剂的性能也十分突出，达到了𝜂10=170 mV和𝜂500=420 mV的优异水平。值得注意的是，在高达约1000 mA cm⁻²的电流密度条件下，该催化剂在HER和OER中分别能够稳定工作450小时和200小时，这为工业化水分解领域带来了新的启示和解决方案。
研究亮点
1.优化异质结构以提升效能
我们采用固相硼化技术，巧妙地引入了Ni-B与Mo-B之间的强烈电子相互作用，这一创新设计优化了d带中心的位置，进而显著提升了催化剂的活性与稳定性。
2.全pH适应性下的卓越析氢性能
无论是在酸性、碱性还是中性环境中，NMB催化剂均展现出了令人瞩目的析氢反应（HER）性能，这充分证明了其广泛的环境适应性和应用潜力。
3.高电流密度下的持久稳定性
在高达1000 mA cm⁻²的电流密度条件下，该催化剂在析氢反应（HER）和析氧反应（OER）中分别能够稳定工作450小时和200小时，这一数据凸显了其在工业化应用中的巨大潜力。
4.规模化生产与环境友好性
我们采用了一种既简单又环保的固相硼化制备工艺，这一方法不仅易于操作，而且具备大规模生产的可行性，为实现绿色、可持续的催化剂生产提供了有力支持。
配图解析
图1展示了NMB纳米棒催化剂的合成过程及其层级结构设计的示意图。该示意图详细描绘了通过固相硼化法构建异质结构，并成功形成富硼无定形层的步骤。
图2展示了通过高分辨率透射电镜（HRTEM）观察和元素映射分析的结果，证实了NMB纳米棒的异质结界面处Ni、Mo、B元素分布均匀，并且成功地在纳米棒表面引入了无定形层的包覆。
图3展示了NMB在碱性介质中进行的HER（氢析出反应）电化学性能测试结果。该测试表明，NMB仅需15 mV的超低过电位即可达到10 mA cm⁻²的电流密度，同时展现出极低的Tafel斜率，仅为63.9 mV dec⁻¹，这一数据有力地证明了其卓越的电荷转移能力。
图4通过DFT（密度泛函理论）计算深入揭示了Ni-B与Mo-B异质结界面的电子耦合效应。这一效应优化了反应中间体的吸附能，进而显著提升了催化剂的活性表现。
图5展示了在两电极全水分解装置中进行的性能测试结果。测试显示，NMB催化剂在高达1000 mA cm⁻²的电流密度下能够保持稳定运行，且所需的电池电压仅为1.85 V，这一优异性能充分彰显了其在水分解反应中的高效能。
本研究通过精心设计的异质结构调控与富硼无定形层的引入，成功开发出一种兼具卓越活性和持久稳定性的双金属硼化物催化剂。这一成果为工业化规模的水分解制氢技术提供了宝贵的参考与启示。研究团队可致力于进一步优化催化剂的制备工艺，以期提升其稳定性和适应性，从而加速绿色能源技术在工业化领域的广泛应用步伐。
期刊：Advanced Energy Materials
DOI：10.1002/aenm.202402866
原文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202402866
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