近日，Advanced Functional Materials在線刊發了華中科技大學集成電路學院王春棟副教授團隊關于低能耗電解水制氫的最新研究成果“Fluorinated Ni-O-C Heterogeneous Catalyst for Efficient Urea-Assisted Hydrogen production”。王春棟為論文唯一通訊作者，學院博士生許雪飛、英國埃克塞特大學Habib Ullah博士為論文共同第一作者，集成電路學院為論文第一完成單位。

圖1：催化劑制備流程

貴金屬基催化劑（如Pt、IrO2和RuO2）已被證明對UOR表現出高催化活性，但面臨著高成本和稀缺性的挑戰。

在非貴金屬材料中，Ni基催化劑（如Ni基合金、氧化物、氫氧化物、磷化物和硫化物）表現出較高的UOR氧化電流密度。其中，NiO由于環境友好、成本效益和高耐腐蝕性而備受關注。

然而，原始NiO的電催化活性遠遠不能令人滿意。原因可能是Ni2+（t2g6eg2）具有高的eg占有率，導致與反應中間體的強結合，不利于氣體產物的解吸。

為了優化反應中間體的吸附和解吸，研究者們開發出一種界面工程策略。據報道，過渡金屬/過渡金屬氧化物（TM/TMO）異質結可以削弱TMO對H*的吸收，進而促進堿性HER動力學。

多層異質結構賦予TM/TMO優化的d帶中心，導致先進的UOR活性。但是，NiO導電性較差，阻礙了界面處的電子傳輸。

圖2：氟摻雜提升NiO/Ni@C催化活性的機理解析

基于此，研究團隊提出了一種簡單的有機-無機雜化策略來制備F摻雜的NiO/Ni@C異質結結構。與傳統的NH4F分解方法不同，含氟有機物的分解可以避免有毒HF的產生，同時有效地實現F摻雜。

F-NiO/Ni@C僅需46mV的HER過電位以及1.31V的UOR電位，就在堿性介質中實現10mA cm?2的電流密度。

就尿素的整體分解而言，F-NiO/Ni@C || F-NiO/Ni@C電解槽在10和200mA cm?2下的電勢分別為1.37和1.57V，優于最先進的Pt/C || RuO2電池。

此外，整體尿素電解槽實現了94.86%的尿素降解率，是原始NiO/Ni@C的4.02倍。理論計算表明，F摻雜加速了電子從Ni向NiO的轉移，從而提升了NiO的本征催化活性，實現最佳的氫吸附吉布斯自由能和UOR能壘的降低。

此項工作是王春棟團隊在電催化劑設計方向的階段性研究成果。團隊長期從事電催化相關探索，近兩年來在能源催化材料局域電子調控及反應動力學機制研究方面取得了系統研究成果，并獲得2022年湖北省自然科學三等獎（第一完成人）。





審核編輯：劉清