催化学报

催化学报 ›› 2026, Vol. 89: 184-195.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)65173-X

• 论文 • 上一篇    下一篇

分级过渡金属氮/磷化物异质结用于安培级高效及超稳定制氢

任治蓉a, 周海涵a,*(), 王谭源b, 翟华金a, 李箐b,*()   

  1. a山西大学分子科学研究所,化学生物学与分子工程教育部重点实验室,山西太原 030006
    b华中科技大学材料科学与工程学院,材料加工与模具技术国家重点实验室,湖北武汉 430074
  • 收稿日期:2026-02-09 接受日期:2026-03-28 出版日期:2026-10-18 发布日期:2026-09-01
  • 通讯作者: *电子信箱: hhzhou@sxu.edu.cn (周海涵),
    qing_li@hust.edu.cn (李箐).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(U24A20499);国家自然科学基金(21975147);山西省基础研究项目(202303021221080);山西省留学基金委资助项目(2023-031)

Hierarchical nitride/phosphide heterostructure for efficient and ultrastable Ampere-level hydrogen production

Zhirong Rena, Haihan Zhoua,*(), Tanyuan Wangb, Hua-Jin Zhaia, Qing Lib,*()   

  1. aKey Laboratory of Chemical Biology and Molecular Engineering of Ministry of Education, Institute of Molecular Science, Shanxi University, Taiyuan 030006, Shanxi, China
    bState Key Laboratory of Materials Processing and Die & Mould Technology, School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, China
  • Received:2026-02-09 Accepted:2026-03-28 Online:2026-10-18 Published:2026-09-01
  • Contact: E-mail: hhzhou@sxu.edu.cn (H. Zhou),qing_li@hust.edu.cn (Q. Li).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(U24A20499);National Natural Science Foundation of China(21975147);Fundamental Research Program of Shanxi Province(202303021221080);Shanxi Scholarship Council of China(2023-031)

RichHTML

6

PDF

18

摘要：

电催化水分解是一种无含碳副产物生产氢气的经济途径. 然而, 其工业化应用面临着重大挑战. 苛刻的反应环境——高浓度(20 wt%-40 wt%)、高温(40-80 °C)的KOH电解液, 以及大电流密度下快速生成的大量气泡所产生的剧烈冲击, 易引发催化剂的腐蚀与脱落, 从而导致催化活性衰减和稳定性下降. 因此, 通过优化催化剂的组分和设计合理的形貌结构来开发兼具超高活性与稳定性的大电流密度非贵金属电解水催化材料, 对于推动电解水制氢产业的发展及降低制氢成本意义重大.

过渡金属磷化物(TMPs), 特别是双金属磷化物表现出的协同效应, 使其对含氢和含氧中间体都具有良好的吸附性和优异的反应动力学. 然而, 通过环境友好的电沉积方法制备通常呈现出聚集的纳米球形貌, 这不仅阻碍了活性位点的暴露, 并对其在气泡扰动环境中的电子转移效率和结构稳定性产生了不利影响. 过渡金属氮化物(TMNs), 特别是基于NiMo的催化剂, 因其较大的比表面积、良好的电导率、显著的机械强度以及在析氢反应(HER)中的高本征催化活性而备受关注, 但其有限的活性位点数量及缓慢的传质速率导致其析氧反应(OER)性能尚不理想. 基于此, 本文设计并构建了一种用于大电流密度制氢的分级双金属氮/磷化物异质结电催化剂(NiMoN/NiCoP). 该催化剂通过电沉积法使二维NiCoP纳米片垂直均匀地生长在一维NiMoN纳米棒阵列的表面, 而该纳米棒阵列则经水热合成结合高温氮化处理原位生长于三维泡沫镍基底上. 其中, NiCoP的引入对NiMoN进行表面修饰, 赋予其高效的HER/OER双功能催化特性; 同时, NiMoN有效促进了NiCoP的分散, 形成分级异质结构, 显著增强了电极材料的机械耐久性. 所构建的NiMoN/NiCoP异质结电催化剂呈现出独特的微纳米阵列结构, 其超亲水/超疏气表面实现了高效的气液传质, 同时提供了更多可接近的高活性异质界面活性位点. 理论计算表明, NiMoN与NiCoP界面间的强电子相互作用诱导电荷密度重新分布, 这不仅促进了H2O分子的吸附与解离, 还优化了异质界面Ni位点上H*中间体的吸附, 从而显著提升了HER活性. 得益于上述优异特性, NiMoN/NiCoP展现出卓越的HER性能, 在1000 mA cm-2电流密度下的过电位仅为126 mV. 此外, 作为一种双功能催化剂, 其在两电极碱性电解槽中仅需1.74 V, 在阴离子交换膜电解槽中仅需1.77 V即可达到1000 mA cm-2的电流密度, 并能分别保持1600和300 h的稳定电解.

综上, 本文通过水热法、高温氮化及电化学沉积相结合的策略, 成功构建了分级NiMoN/NiCoP异质结电解水催化剂. 该催化剂展现出在工业级全水裂解中的应用潜力, 并为设计开发高效工业级电解水催化剂提供了一种有前景的异质结设计策略.

关键词: 过渡金属氮/磷化物, 分级结构, 异质结构, 析氢反应, 电解水

Abstract:

Towards large-scale hydrogen production via water splitting, it is crucial to enhance the mechanical stability of electrocatalysts while maximizing the formation and utilization of efficient active sites through rational morphological design and electronic modulation. Here, a hierarchical nitride/phosphide heterostructure electrocatalyst is successfully constructed, consisting of amorphous 2D NiCoP nanosheets vertically grown on crystalline 1D NiMoN nanorod arrays. This unique structure facilitates the formation and exposure of efficient active sites while endowing NiMoN/NiCoP catalyst with a highly hydrophilic and superaerophobic surface. Accordingly, it exhibits an ultralow overpotential of 126 mV at 1000 mA cm-2 for the hydrogen evolution reaction (HER) in 1 mol L-1 KOH. Notably, as a bifunctional catalyst, it requires merely 1.74 V in 1 mol L-1 KOH solution and 1.77 V in an anion exchange membrane water electrolyzer (AEMWE) to achieve 1000 mA cm-2 of current density, while maintaining stable electrolysis for up to 1600 and 300 h, respectively. Theoretical calculations indicate the interaction between NiMoN and NiCoP leads to the redistribution of charge density. This promotes H2O adsorption and dissociation, also optimizes the adsorption of H* intermediates at the heterointerfacial Ni sites, consequently improving the HER activity. These characteristics highlight its promising applicability as an Ampere-level catalyst for hydrogen production.

Key words: Transition metal nitride/phosphide, Hierarchical structures, Heterostructures, Hydrogen production, Water splitting