電催化水分解是一種經(jīng)濟(jì)有效的制氫方法。析氫反應(yīng)(HER)作為水分解半反應(yīng)之一，是影響制氫工藝的一個(gè)重要因素，需要開(kāi)發(fā)具有快速動(dòng)力學(xué)的高效析氫催化劑以加速電化學(xué)水分解。過(guò)渡金屬基材料已成為貴金屬催化劑的有希望的替代品，它們?nèi)菀自趶?fù)雜的催化反應(yīng)條件下進(jìn)行電化學(xué)表面重構(gòu)，最終表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能。

然而，重構(gòu)的催化劑通常存在多種組分和價(jià)態(tài)，這使動(dòng)態(tài)變化過(guò)程復(fù)雜化，導(dǎo)致對(duì)實(shí)際催化活性物種的鑒定和對(duì)真正催化活性中心的理解極其困難。因此，探索催化劑的動(dòng)態(tài)重構(gòu)機(jī)理，揭示催化劑的實(shí)際活性物種，有利于高效非貴金屬基電催化劑的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)。

近日，南京航空航天大學(xué)彭生杰課題組研究了基于CoC₂O₄@MXene模型催化劑在HER反應(yīng)中的重構(gòu)過(guò)程。所制備的異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑具有納米管結(jié)構(gòu)，由于界面誘導(dǎo)效應(yīng)，CoC₂O₄納米棒與MXene自組裝而成；這種良好的親水性納米管結(jié)構(gòu)可以極大地提高電解質(zhì)的滲透性，而高導(dǎo)電率的超薄MXene提供了一條有效的電子通路，有利于快速、完全的自重構(gòu)過(guò)程。此外，松散的結(jié)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)催化劑完全重構(gòu)的主要因素。

原位表征和X光吸收光譜顯示了由CoC₂O₄轉(zhuǎn)化而來(lái)的Co(OH)₂作為實(shí)際活性物種；重構(gòu)后的新組分可以調(diào)控電子的離域并降低反應(yīng)能壘，從而導(dǎo)致快速電子轉(zhuǎn)移。更重要的是，這種快速重構(gòu)引入了Co(OH)₂的高度無(wú)序結(jié)構(gòu)，其中有大量暴露的Co活性位點(diǎn)，這可以促進(jìn)水分子的吸附，優(yōu)化H*中間體的結(jié)合能，從而提高HER動(dòng)力學(xué)。

因此，即使在高電流密度下，Co(OH)₂和MXene之間的協(xié)同作用也保證了顯著的HER活性。具體而言，在1 M KOH中，重構(gòu)后的CoC₂O₄@MXene在10 mA cm^-2和1000 mA cm^-2電流密度下的過(guò)電位分別為28 mV和216 mV。即使在堿性和中性海水中，重構(gòu)后的CoC₂O₄@MXene表現(xiàn)出優(yōu)異和穩(wěn)定的HER性能。本研究揭示了CoC₂O₄在HER過(guò)程中快速完全重構(gòu)的過(guò)程，這為理解催化劑性能增強(qiáng)的起源和未來(lái)催化劑設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

Rapid Complete Reconfiguration induced Actual Active Species for Industrial Hydrogen Evolution Reaction. Nature Communications , 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-33590-5