Janus催化剂中固有的梯度电场通过pH依赖性机制调控氢气的释放过程

《ACS Energy Letters》：Gradient Built-in Electric Fields in Janus Catalysts Govern Hydrogen Evolution via pH-Dependent Mechanisms

氢能经济中析氢反应的电子结构调控难题可通过内置电场（BEF）解决，Pt负载型过渡金属磷化物Janus催化剂在酸碱介质中分别优化氢溢流和水分解路径。实验证实BEF梯度（0.1-1.77 eV）使CoP/Pt在0.5 M H2SO4中过电位仅10 mV达10 mA/cm2，而NiP/Pt在1 M KOH中过电位12 mV，塔菲尔斜率均低于传统催化剂。

　　

氢演化反应对氢能经济的发展至关重要，但其进程受到缓慢反应动力学的影响，这主要是由于难以精确调控电催化剂的电子结构。通过在过渡金属衍生物上负载贵金属而形成的功能界面所产生的内置电场（BEF），可以有效克服这一限制。然而，关于BEF的影响主要通过定性分析或理论计算进行研究，缺乏对其作用机制的定量实验验证。在这项研究中，我们设计了一系列Janus催化剂，通过在结晶或非晶态过渡金属磷化物上固定微量铂（Pt），实现了BEF从0.1到1.77 eV的梯度调节，从而在酸性和碱性介质中通过不同的机制提升了氢演化反应（HER）的活性。结晶态的CoP/Pt具有最弱的BEF，使得氢原子从Pt转移到Co的能量障碍较低；在0.5 M H₂SO₄溶液中，仅需10 mV的电压即可达到10 mA cm^–2的电流密度，其Tafel斜率为22.35 mV dec^–1。相比之下，非晶态的NiP/Pt具有最强的BEF，降低了水分解的能量障碍；在1 M KOH溶液中，12 mV的电压即可实现10 mA cm^–2的电流密度，其Tafel斜率为20.81 mV dec^–1。