通过先进的界面工程技术，对掺锰的双相镍钴磷化物异质结构进行优化处理，实现了在淡水和海水环境中高效的整体水分解过程

《Journal of Colloid and Interface Science》：Advanced interface engineering of manganese–doped biphasic nickel-cobalt phosphide heterostructures enables high-efficiency overall water splitting in freshwater and seawater media

水裂解电催化中，开发了一种基于Mn掺杂的镍钴磷异质结构双功能催化剂，适用于碱性水和海水电解制氢，具有低过电位（83 mV@10 mA·cm?2）、高稳定性及成本效益，电子结构调控和异质界面工程优化了活性位点密度与电荷传输效率。

　　绿色氢燃料气体通过电催化整体水分解（OWS）技术生产，正成为推动从化石燃料向可持续可再生能源转型的有希望解决方案。这项技术不仅能够有效应对当前能源短缺和环境污染的问题，还为实现绿色氢能生产提供了新的路径。为了提高OWS的效率，研究人员开发了一种低成本且高性能的双功能催化剂，该催化剂基于锰掺杂的镍-钴磷化物（Mn–Ni?P/Co?P）异质结构，具有可调节和协同的界面特性。该材料在1.0 M KOH碱性介质中，仅需83 mV的阴极析氢反应（HER）过电位和258 mV的阳极析氧反应（OER）过电位，即可达到10 mA·cm?2的电流密度。通过将Mn–Ni?P/Co?P组合应用于电解槽中，该材料能够在75°C的碱性淡水和海水环境中，分别以1.44 V和1.47 V的低电压实现高效的水分解反应，并在长期连续运行后仍保持高活性。理论研究表明，锰的掺杂改变了磷化物异质结构的结构和电子特性，从而提高了电荷转移效率，增加了电化学活性表面积，并加速了反应动力学，为实现高效双功能催化性能提供了基础。尽管在长时间运行中观察到轻微的表面氧化和温度敏感性，但这些变化表明了材料的自我稳定特性，并为通过界面和表面设计优化性能提供了契机。这种创新的工程策略为实现高性能、低成本的电催化剂，推动可持续氢生产技术的发展提供了新的思路。

整体水分解技术面临的主要挑战之一是反应动力学的缓慢，这主要体现在HER和OER两个半反应上。因此，需要高效的电催化剂来促进这些反应，并达到实际应用中的性能目标。贵金属基材料，如Pt/C和RuO?/IrO?，因其优异的催化性能而被广泛应用于HER和OER的促进。然而，由于这些材料来源有限且成本高昂，其大规模应用受到限制。此外，它们在反应动力学上的不兼容性导致每种材料只能用于单一功能，这增加了电极制造的成本和时间。为了克服这些挑战，先进的催化剂设计和优化是关键，以提升合成方法和催化剂性能，从而实现高效、可扩展的OWS技术。

为了解决OWS对淡水的依赖问题，研究者们开始关注海水作为替代水源的潜力。海水占地球水资源的97%，是一种丰富且易得的资源，可用于氢气生产所需的电解质。然而，海水中的氯离子（Cl?）可能对电催化剂造成腐蚀，从而限制了其在海水分解中的实际应用。因此，开发一种高效且具有优异抗腐蚀能力的电催化剂至关重要，以确保其在高过电位条件下仍能保持良好的催化活性。通过在催化剂表面引入锰异质原子，研究人员成功地降低了析氧反应的过电位，从而有效避免了氯演化反应的发生。

在材料合成方面，研究团队采用了一种新颖的多界面异质结构策略，制备了Mn–Ni?P/Co?P材料。该材料通过一系列步骤合成，包括水热反应、电沉积和磷化处理。水热反应用于在镍泡沫（NF）基底上形成钴氢氧化物纳米线阵列。随后，通过热还原和磷化处理，将钴氢氧化物转化为钴磷化物结构。最后，通过电沉积过程，在钴磷化物表面形成连接的锰-镍氢氧化物纳米片涂层，最终形成具有约9-10 nm壳层厚度的复杂三维核心-壳结构。这种结构设计显著提高了材料的粗糙度和孔隙率，从而增加了电化学活性表面积，促进了电子和离子的高效传输路径。

材料的结构和表面特性通过多种表征手段进行了详细分析，包括场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、透射电子显微镜（TEM）、高分辨率TEM（HR-TEM）和能量色散X射线分析（EDS）。这些分析结果表明，Mn–Ni?P/Co?P材料具有均匀的元素分布，并且其结构设计有效地暴露了更多的活性位点。此外，X射线衍射（XRD）分析进一步验证了材料中钴磷化物和镍磷化物的双晶相结构，表明Mn的掺杂并未显著改变主要晶体结构，而是通过原子级别的掺杂效应，对材料的电子环境产生了重要影响。

材料的电化学性能通过线性扫描伏安法（LSV）和电化学阻抗谱（EIS）进行了评估。结果显示，Mn–Ni?P/Co?P材料在HER和OER中均表现出优异的催化活性。在碱性淡水介质中，其HER的过电位分别为83 mV和230 mV，OER的过电位分别为258 mV和348 mV，均显著低于其他催化剂。此外，材料在100 mA·cm?2的电流密度下，经过45小时的长期运行后仍能保持高达98%的性能稳定性，显示出良好的耐久性。这些结果表明，Mn–Ni?P/Co?P材料在促进HER和OER反应方面具有显著优势。

在海水电解环境中，Mn–Ni?P/Co?P材料同样表现出优异的催化性能。其HER和OER的过电位分别为113 mV和265 mV，以10 mA·cm?2的电流密度运行时，所需电压显著低于传统贵金属催化剂。通过电化学测试，研究人员发现该材料在75°C的海水环境中，能够以1.47 V的低电压实现高效水分解，并且在长期运行中保持98.4%的性能稳定性。这些结果表明，Mn–Ni?P/Co?P材料不仅适用于淡水环境，也能够在海水环境中实现高效的氢气生产。

进一步的电化学测试表明，Mn–Ni?P/Co?P材料在HER和OER中的反应动力学得到显著改善。通过Tafel斜率的分析，研究人员发现该材料的HER和OER反应速率均高于其他催化剂。这表明，Mn的掺杂不仅提高了材料的电荷转移效率，还优化了反应中间体的吸附特性，从而促进了反应的进行。此外，通过电化学表面积（ECSA）的测定，研究人员发现Mn–Ni?P/Co?P材料的ECSA显著高于其他材料，进一步证明了其优异的催化性能。

为了评估Mn–Ni?P/Co?P材料在实际应用中的潜力，研究人员将其应用于电解槽系统，并与传统的Pt/C和RuO?催化剂进行了对比。结果表明，Mn–Ni?P/Co?P材料在碱性淡水和海水中均表现出优异的性能。在碱性淡水环境中，其电解槽需要的电压仅为1.44 V，而在海水环境中，所需电压为1.47 V，均显著低于贵金属催化剂。此外，该材料在不同温度下的运行稳定性也得到了验证，表明其在实际应用中具有广泛的适应性。

在稳定性方面，Mn–Ni?P/Co?P材料表现出良好的耐久性。通过长时间的电化学测试，研究人员发现该材料在碱性环境中能够保持较高的催化活性，且其结构在长时间运行后几乎未发生变化。XPS分析进一步表明，材料的表面化学性质在运行后仍保持稳定，说明其具有优异的抗腐蚀能力。此外，该材料在海水电解环境中也表现出良好的稳定性，能够在75°C的条件下连续运行超过60小时，保持98%以上的性能。

通过理论计算，研究人员进一步验证了Mn–Ni?P/Co?P材料的催化性能。密度泛函理论（DFT）计算表明，Mn的掺杂显著改变了材料的电子结构，使其具有更优异的电荷转移能力和更低的反应能垒。这些理论结果与实验数据相吻合，表明Mn–Ni?P/Co?P材料在促进HER和OER反应方面具有显著优势。

综上所述，Mn–Ni?P/Co?P材料作为一种新型的双功能电催化剂，具有优异的催化性能和良好的稳定性。其低过电位、高电流密度和良好的抗腐蚀能力，使其成为实现高效、可持续的绿色氢能生产的重要候选材料。此外，该材料的低成本和易得性，使其在大规模应用中具有显著的优势。未来的研究可以进一步优化其结构设计，探索其在更高电流密度下的性能表现，并评估其在不同电解质环境中的适应性，以推动其在实际能源系统中的应用。