黑磷纳米片/CoNiSe2 纳米花异质结的定向内建电场设计及其在阴离子交换膜电解槽中的高效析氢应用

本文推荐研究人员针对碱性析氢反应（HER）电催化剂活性不足的问题，通过构建黑磷（BP）与CoNiSe2 的异质结界面，利用功函数差异驱动的内建电场（BIEF）调控Co/Ni双活性位点的d带中心，显著优化氢吸附动力学。所得BP/CoNiSe2 催化剂在10 mA cm-2 电流密度下仅需82 mV过电位，且在阴离子交换膜电解槽（AEMWE）中实现350 mA cm-2 稳定运行320小时，为非贵金属催化剂设计提供了新范式。

　　

在全球能源转型背景下，绿色氢能作为清洁能源载体备受关注。电解水制氢技术中，碱性阴离子交换膜电解槽（AEMWE）因其成本优势和稳定性成为研究热点，但其阴极析氢反应（HER）仍依赖昂贵的铂族催化剂。过渡金属硒化物（TMSe）虽具潜力，却受限于强氢吸附和低导电性。如何通过电子结构调控打破这一瓶颈，成为当前研究的核心挑战。

针对这一问题，三峡实验室等机构的研究人员创新性地将二维黑磷（BP）与CoNiSe₂
纳米花复合，构建了具有定向内建电场（BIEF）的异质结催化剂。相关成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上。研究团队采用液相剥离法制备少层BP纳米片，通过溶剂热法原位生长CoNiSe₂
纳米花，利用X射线光电子能谱（XPS）和密度泛函理论（DFT）计算验证界面电子转移，并通过电化学测试评估催化性能。

Preparation of few-layer black phosphorus (BP)
通过超声剥离和梯度离心获得少层BP纳米片，为异质结构建提供基础材料。

Fabrication of BP/CoNiSe₂
heterojunction
溶剂热法实现BP与CoNiSe₂
的原子级耦合，形成P-Ni/Co和P-Se共价键，增强结构稳定性。

Results and Discussion
扫描电镜显示CoNiSe₂
纳米花均匀锚定在BP表面。XPS证实BP向CoNiSe₂
的电子转移，形成由功函数差（BP: 4.3 eV vs CoNiSe₂
: 5.1 eV）驱动的BIEF。DFT计算揭示BIEF使Co/Ni的d带中心下移0.35 eV，优化氢吸附自由能至-0.12 eV。

Conclusion
BP/CoNiSe₂
在碱性条件下表现出超低过电位（82 mV@10 mA cm^-2
）和塔菲尔斜率（64 mV dec^-1
），其AEMWE器件在1.79 V电压下实现350 mA cm^-2
持续产氢320小时。该研究开创了通过界面工程精准调控d带中心的策略，为设计高效非贵金属催化剂提供了新思路。

这项工作的突破性在于：首次阐明BP/TMSe异质结中BIEF对d带中心的调控机制；开发的催化剂性能接近商用Pt/C，且具备工业级稳定性；提出的"功函数匹配-电子转移-活性位点调控"设计范式可拓展至其他能源材料体系。这些发现将加速AEMWE技术的商业化进程，对推动绿氢产业发展具有重要意义。