近日，云南大学材料与能源学院、云南省微纳材料与技术重点实验室柳清菊教授团队在Applied Catalysis B: Environment and Energy（IF = 20.2）上发表研究论文“Coupling Ir single atom with NiFe LDH/NiMo heterointerface toward efficient and durable water splitting at large current density”（DOI：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124548 ），云南大学为第一完成单位，云南大学材料与能源学院硕士生吴阅文为第一作者，柳清菊教授、陈明鹏讲师、何天威副教授为共同通讯作者。

电解水制氢是生产绿氢的主要途径，原料来源稳定，生产过程没有CO2排放，产生的氢气纯度高。采用高效的电解水催化剂能够降低电极反应的过电势，提高电能转化效率，通过使用兼具析氢（HER）和析氧（OER）催化功能的双功能电催化剂可简化电解系统，大幅降低成本。目前，双功能催化剂存在工作电压高、电流密度有限、稳定性较差等问题。因此，开发高效、稳定的双功能电解水催化剂是十分必要的。基于此，该论文提出了一种独特的催化剂改性策略，构筑NiFe LDH纳米片/NiMo纳米棒分级结构，并将Ir单原子与NiFe LDH/NiMo异质界面耦合。IrSA-NiFe LDH/NiMo催化剂仅需要139 mV和350 mV的超低过电位，即可在碱性电解液中分别驱动HER和OER达到500 mA cm−2的大电流密度，且稳定运行超过500 h，优于国际上最新的同类报道。表征与计算结果表明，超薄NiFe LDH纳米片生长在NiMo纳米棒，单原子Ir稳定存在于NiFe LDH/NiMo界面附近，暴露了更多的催化活性位点并改变了催化剂的电子结构。另一方面，Ir单原子的引入同时优化了HER过程中对H中间体的吸附-解吸过程和OER过程中对含氧中间体的吸附能力，降低了电解水反应的整体能垒。该项工作提出的多尺度催化剂设计策略对高性能大电流密度电解水催化剂的开发提供了新的思路。

图1 IrSA-NiFe LDH/NiMo双功能电极材料的合成示意图及表征结果

近期，柳清菊教授团队在高性能电解水催化剂设计制备及反应机理研究方面取得了系列进展，相关成果发表在多个国际权威期刊，具体成果如下：

NiFe LDH载体上Pt单原子和量子点的协同作用实现高效析氢：通过调节Pt物种的状态，实现其在NiFe LDH纳米片阵列上均匀分布，包含锚定在Fe空位中的Pt单原子（PtSA）和NiFe LDH表面的Pt量子点（PtQD）。该催化剂在碱性条件下表现出远优于Pt/C的HER性能。原位测试和理论计算结果表明，该催化剂在HER过程中Volmer-Tafel机理占主导地位，PtSA和PtQD的协同作用可以优化水解离和氢气解吸的动力学。研究成果发表于Journal of Materials Science & Technology（DOI：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.07.025，IF=11.2），云南大学材料与能源学院硕士生吴阅文为第一作者，柳清菊教授、陈明鹏讲师为共同通讯作者。

图2 PtSA/QD-NiFeV9 LDH电极材料的结构表征结果

不同形貌与结构的NiFe-MOFs用作高效析氧催化剂：通过一步溶剂热法合成了四种具有不同形貌和晶体结构的NiFe-MOFs，其电子性质可通过改变有机配体来调节。其中，NiFe-BDC催化剂仅需204、234和273 mV的低过电位即可达到10、100和300 mA cm-2的电流密度，优于国际上最新的同类报道。原位测试证明该催化剂在OER过程中有机配体从NiFe-BDC表面浸出，并重构形成NiFeOOH/NiFe-BDC异质结。独特的自重构表面有助于降低反应势垒和加快反应动力学。研究成果发表于Journal of Colloid and Interface Science（DOI：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.08.206，IF=9.4），云南大学材料与能源学院硕士生纳国豪为第一作者，柳清菊教授、陈明鹏讲师为共同通讯作者。

图3 自支撑NiFe-MOFs电极材料的合成示意图

空位缺陷策略构筑高性能电解水催化剂综述：该综述系统总结了近年来过渡金属基电解水催化剂空位缺陷研究的最新进展，包括构造不同类型空位的代表性工艺、表征空位的先进显微技术和光谱技术、揭示空位效应和开发新型空位改性催化剂的实验与理论方法。从改进催化剂电子结构、降低反应能垒和优化反应中间体吸附-解吸行为等方面讨论了特定空位调节反应路径与增强催化性能之间的内部联系。此外，本综述讨论了复合催化剂中空位与掺杂原子、单原子、纳米团簇、异质结等之间的协同效应。研究成果发表于Chemical Engineering Journal（DOI：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154235， IF=13.3），云南大学材料与能源学院讲师陈明鹏为第一作者，柳清菊教授为通讯作者。

图4 空位调控电解水催化剂研究手段与发展趋势综述

该系列研究得到了国家重点研发计划、云南省重大科技专项、国家自然科学基金面上项目、云岭学者专项计划、云南大学“双一流”建设等项目的支持，以及云南省微纳材料与技术重点实验室、云南大学电镜中心、云南大学先进计算中心、云南大学现代分析测试中心等研究平台的支持。

来源：校团委

编辑：李哲 责任编辑：陈涛 审核：宁莉