设计一种MoOx/NiCoPS异质界面，以实现快速电荷传输，从而增强在碱性海水中的氧化性能

《Applied Surface Science》：Engineering a MoO x/NiCoPS heterointerface with accelerated charge transfer for robust alkaline seawater oxidation

通过构建MoO_x/NiCoPS异质结构，实现了海水电解中氧析出反应的高效催化与氯腐蚀的有效抑制。该异质结构通过精确的晶格匹配界面工程，促进电子定向转移以优化活性位点，同时MoO_x层作为双重作用屏蔽层抑制氯腐蚀，最终达到低过电位（293 mV）和高电流密度（100 mA/cm2）的稳定运行超过110小时。

　　

郭明亮|胡家政|李海|邹雪|张克熙|李毅|丁磊

湖北汽车工业技术学院汽车材料学院，中国十堰442002

摘要

直接海水电解的实际应用受到氧气演化反应（OER）本身缓慢以及氯气演化这一不良且具有腐蚀性的副反应的严重限制。在这里，我们展示了通过设计一个连贯的异质界面可以有效克服这些挑战。我们报道了一种分层的MoO_x/NiCoPS异质结构，其特点是MoO_x纳米棒生长在NiCoPS纳米片上，这种结构作为催化剂表现出极高的稳定性和有效性。精确设计的、晶格匹配的界面实现了从MoO_x到NiCoPS的单向电荷转移，从而富集了Ni活性位点，并将其d带中心战略性地调整到OER中间体的最佳结合能量。这种电子调制显著降低了反应能量障碍。同时，MoO_x层起到了双重作用：一方面形成物理屏障，另一方面通过促进氢氧根离子的优先吸附提供了热力学动力，从而有效抑制了氯化物腐蚀。这种协同设计实现了100 mA cm^?2的电流密度，过电位仅为293 mV，并在碱性海水中表现出超过110小时的出色运行耐久性。通过密度泛函理论验证，我们的工作为设计先进的电催化剂提供了蓝图，这些催化剂通过合理设计界面来同时调节电子性质以实现前所未有的活性，并重塑表面化学性质以获得卓越的选择性。

引言

直接电解地球上丰富的海水是可持续生产氢气的一个极具吸引力的途径，但其可行性在阳极处受到严重限制[[1], [2], [3], [4], [5]]。这一过程面临着氧气演化反应（OER）固有缓慢的动力学问题，以及不良且具有腐蚀性的副反应（ClER），后者会使催化剂失活并产生有害的氯气[[6], [7], [8], [9], [10], [11]]。尽管已经探索了各种材料创新，但能够同时加速OER并积极抑制ClER的策略仍然是一个关键瓶颈[[12], [13], [14], [15]]。例如，我们之前的工作表明，在金属磷硫化物中引入电负性氟可以诱导原位形成钝化氧化氢层[16]。然而，需要一种更加积极主动和综合的设计来从根本上提高NiCoPS等催化剂在恶劣海水环境中的内在活性、选择性和长期耐久性。

钼氧化物，特别是MoO₃，具有一系列能够解决这一挑战的特性。MoO_x以其卓越的化学稳定性和电子传导能力而闻名，可以形成强耦合的界面，有效防止金属浸出和结构降解[[17], [18], [19], [20]]。在碱性介质中，MoO_x表面可以生成钼酸盐离子（MoO₄^2-）[21,22]，这些离子通过静电排斥作用选择性地阻挡氯离子。这表明构建MoO_x/NiCoPS异质结构可以实现磷硫化物的高内在活性和氧化物的保护特性的协同统一。然而，仅仅混合这些组分远远不够；真正的潜力在于对界面本身的精确工程化[[23], [24], [25], [26]]。

在这项工作中，我们超越了传统的复合制备方法，提出了一种有意识的界面工程策略来制备分层的MoO_x/NiCoPS/CC催化剂。通过直接在水热条件下将MoO_x纳米棒生长在NiCoPS纳米片上，我们制造了一个连贯的、晶格匹配的异质界面。整个策略基于这样一个前提：这种合理设计的界面可以作为深刻协同效应的枢纽。我们认为，晶体学上的连贯性将建立一条低电阻的电子流动路径，从而富集Ni/Co活性位点。这种电荷重新分布预计会调整d带中心，从而从根本上降低与OER相关的吉布斯自由能并提高内在活性。同时，MoO_x覆盖层被设计为双重作用的氯离子屏障，提供物理屏障，同时在热力学上重塑表面以优先吸附氢氧根中间体而不是腐蚀性的氯离子。这项工作旨在建立一个3D分层系统，最大化活性表面积并促进质量传输，从而证明设计这样的连贯异质界面为同时解决直接海水电解中的活性、选择性和稳定性之间的典型权衡提供了一个强有力的范例。

部分摘录

MoO_x/NiCoPS的制备和表征

MoO_x/NiCoPS异质结构的合成过程如图1a所示，包括三个阶段（详细合成步骤见支持信息）：水热生长、气相磷硫化以及最终的水热修饰。材料的形貌变化通过扫描电子显微镜（SEM）进行监测。最初，生长在碳布（CC）上的NiCo-LDH前驱体表现出垂直排列的纳米片（图S1a?c）。

结论

在这项工作中，我们证明了在NiCoPS和MoO_x之间设计一个连贯的异质界面是一种非常有效的策略，可以创建一种用于直接碱性海水氧化的强大且高效的电催化剂。该催化剂达到了100 mA cm^?2的电流密度，所需过电位仅为293 mV，并表现出超过110小时的出色稳定性，这得益于在界面处设计的双重功能协同效应。晶格匹配的MoO_x向NiCoPS捐赠电子，从而

未引用的参考文献

[42]。

CRediT作者贡献声明

郭明亮：撰写——原始草稿，验证，数据管理。胡家政：软件开发，实验研究。李海：可视化处理，实验研究。邹雪：方法学设计，实验研究。张克熙：软件开发，实验研究。李毅：指导，概念构思。丁磊：撰写——审稿与编辑，指导，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

这项工作得到了湖北省自然科学基金（2024AFB462）和湖北汽车工业技术大学博士科学研究基金（BK202412）的财政支持。