《Fuel》：Improved bifunctional electrocatalytic water splitting via FeSe/NiP heterostructure for accelerated surface reconstruction
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双功能异质结构催化剂FeSe/NiP-600在碱性及海水体系中的高效稳定电催化水分解研究。通过电沉积构建致密FeSe层与NiP基底异质结构，形成丰富活性位点与优化电子结构。在1.0 M KOH中HER过电位122.7 mV@-10 mA cm-2，OER过电位208 mV@50 mA cm-2，耐久性170小时无衰减。海水测试中HER过电位122.5 mV，OER过电位215.5 mV，分解电压1.85 V@160 mA cm-2，展现优异环境适应性。
张启豪|周慧雅|张博尧|任赫然|徐松林|赵荣达|吴福发|苗丽华
辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，锦州121001，中国
摘要
过渡金属硒化物因其优异的电催化性能而成为研究热点。然而，单一组分的过渡金属硒化物通常存在固有的缺点，如高电子转移阻力和较差的导电性。磷化物基底可以有效弥补这些不足。因此，在本研究中，通过电沉积在NiP基底上构建了致密的FeSe层，形成了具有丰富活性位点的异质结构。所制备的FeSe/NiP-600催化剂在1.0 M KOH溶液中表现出优异的氢演化反应（HER：122.7 mV@-10 mA cm?2）和氧演化反应（OER：208 mV@50 mA cm?2）性能，并且在170小时内保持良好的稳定性。该催化剂在碱性海水中也保持了良好的催化活性（HER：122.5 mV@-10 mA cm?2；OER：215.5 mV@50 mA cm?2）。当用于双电极系统时，该催化剂在160 mA cm?2的电流密度下仅需要1.85 V的分解电压，从而实现了高效的水分解。
引言
全球能源短缺危机日益严重，开发绿色和可持续的替代能源变得至关重要。氢能以其高能量密度和环境友好性而受到重视，被视为一种有前景的替代燃料[1]。电催化整体水分解是一种高效且可持续的高纯度氢生产方法[2]，[3]，它主要包括两个半反应：阳极氧演化反应（OER）和阴极氢演化反应（HER）[4]。HER通过两电子转移过程进行，而OER涉及复杂的四电子转移路径，其反应动力学缓慢且能量障碍较高——这成为限制整体水分解效率的瓶颈[5]，[6]，[7]。碱性水电解技术在工业应用中显示出巨大潜力；然而，在海水中，Cl-和Br-等离子会破坏催化稳定性[8]，[9]。因此，开发适用于碱性和碱性海水系统的双功能催化剂成为当务之急。
目前，贵金属催化剂（如Pt、RuO2）表现出优异的催化活性，但它们的稀缺性和高成本严重阻碍了大规模工业应用。因此，开发稳定、低成本的非贵金属催化剂在能源转换领域具有重要意义。过渡金属硒化物（TMS）因其未填充的d轨道、优越的电化学稳定性和优化反应路径的能力而成为研究焦点[10]，[11]。尽管一些TMS通过Se的3d-2p轨道杂化表现出高金属性，但单一组分的TMS（如MoSe2、NiSe2）仍存在固有缺点，如高电子转移阻力和活性位点的明显聚集[12]。包括掺杂、缺陷工程和异质结构构建在内的策略可以有效优化催化剂的电子结构并调节反应中间体的吸附-脱附行为。在这些方法中，异质结因其通过界面电荷转移、晶格匹配调节和其他协同效应显著提升催化性能而脱颖而出[13]，[14]，[15]，[16]，[17]，[18]。
磷化物（如NiP）具有金属/类金属导电性，可以减轻TMS固有的低导电性，抑制TMS纳米片的层间堆叠，而3D纳米花状结构减少了活性位点的屏蔽[19]。大量研究验证了TMS/过渡金属磷化物（TMPs）异质结的卓越性能：Yang等人制备的NiP2/NiSe2异质结在100 mA cm?20.45Co0.55P/NiP@碳布（CC）异质催化剂，在1 M KOH溶液中表现出1.26 V的低OER起始电位，并在10 mA cm?242?物种进一步提升了催化活性，使得在100 mA cm?22），并通过调整沉积电位和pH等参数来调节其性能[23]。
在本研究中，通过电沉积在NiP基底上构建了FeSe/NiP异质结，并保持了其3D形态。其紧凑的结构提供了丰富的活性位点，在催化过程中形成了FeOOH和NiOOH活性相，从而提升了催化性能。DRT光谱被引入FeSe/NiP系统，以在无模型条件下分解HER/OER过程中的多个松弛过程，如吸附、电荷转移和气泡成核/脱附，避免了人为拟合带来的不确定性。除了在1.0 M KOH中的性能测试外，该催化剂还在1.0 M KOH + 海水系统中进行了创新评估，填补了此类材料在自然海水介质中系统评估的空白。在1.0 M KOH中，FeSe/NiP-600表现出优异的性能：在50 mA cm?2?2?2
结果与讨论
图1展示了制备FeSe/NiP异质结构催化剂的三步方法流程图，包括水热处理、煅烧和电沉积。水热合成用于在NF基底上生长垂直排列的具有光滑表面的NiO纳米片（图S1a），为后续的煅烧和电沉积提供了优异的导电基质和紧密的组织结构。随后在管式炉中以350°C温度煅烧2小时，获得了
结论
在本研究中，我们通过电沉积在NiP基底上成功构建了致密的FeSe层。粗糙的表面提供了丰富的活性位点，加速了中间体的吸附/脱附。此外，异质结构的形成优化了电子结构并降低了电荷转移阻力。这些综合优势使FeSe/NiP-600具有出色的HER/OER催化性能（HER为122.7 mV@-10 mA cm?2?2
CRediT作者贡献声明
张启豪：撰写——原始稿件。周慧雅：撰写——审阅与编辑。张博尧：撰写——审阅与编辑。任赫然：撰写——审阅与编辑。徐松林：撰写——审阅与编辑。赵荣达：撰写——审阅与编辑。吴福发：撰写——审阅与编辑。苗丽华：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了辽宁省教育厅项目（编号：LJKMZ20220959）、国家自然科学基金（编号：51971106）以及辽宁省教育厅科技创新人才项目（编号：LJ222411632049、LJ222411632081）的支持。
