电化学水分解产生的氢能被认为是替代化石燃料的可持续和环境友善的能源。在众多制氢技术中，产氢率高、低腐蚀性的阴离子交换膜(AEM)电解槽引起人们的广泛研究兴趣。然而，与酸性电解质(2*H+2e−→H2+*)中的直接质子偶联电子反应不同，在碱性条件下需要额外的水解离步骤(*H2O+e−→*H+OH−)才能为析氢反应(HER)提供有效的质子。
同时，由于H-OH键断裂的高能垒，即使Pt基电催化剂在碱性电解质中的活性也比在酸性数量级中低约两至三个数量级。因此，研究高效和低成本的催化剂来促进H-OH键的断裂对碱性HER反应具有重要意义。近日，南京师范大学付更涛和唐亚文等采用电沉积的方法，将氧化铕(Eu2O3)与NiCo合金结合，设计了一种高效的碱性HER催化剂(Eu2O3-NiCo)。随着Eu2O3的引入，成功地构建了亲密接触的Eu2O3-NiCo异质界面，这有利于界面上的电子重分布。实验结果表明，所得到的Eu2O3-NiCo催化剂表现出出色的HER活性，在碱性条件下，其达到10 mA cm-2电流密度所需的过电位仅为60 mV，超过了不含Eu2O3的NiCo(176mV)。此外，经过2000次CV循环后，Eu2O3-NiCo仍保持较高的HER活性；并且，该催化剂在10 mA cm-2下连续运行24小时后仅发生轻微活性衰减，显示出优异的稳定性。原位光谱表征和理论计算表明，Ni基催化剂由于缺乏H2O吸附和解离位点，在从H2O中提取H方面存在缺陷；Eu2O3位点显示出较低的H2O吸附能，表明Eu2O3具有良好的界面亲水性。同样，在引入Eu2O3后，Eu2O3-NiCo也表现出热力学自发水吸附能力。此外，对于Volmer步骤，在Eu2O3-NiCo位点处，H2O解离能低于Eu2O3，这可能归因于Eu和NiCo位点之间的协同作用。因此，Eu2O3的强嗜氧性提供了额外的H2O吸附位点，促进了Eu2O3-NiCo界面上的H-OH键断裂，加速了Volmer步骤；Eu2O3-NiCo异质结的形成诱导了纳米界面上的电子重分布，从而使反应中间体的吸附能得到优化，有助于提高Eu2O3-NiCo的碱性HER活性。综上，该项工作为HER提供了一个有效的电催化剂，并揭示了稀土增强电催化性能的机理。Europium oxide evoked multisite synergism to facilitate water dissociation for alkaline hydrogen evolution. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202409324
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