磷空位调控异质结界面内建电场促进碱性全解水催化性能研究

本研究针对碱性全解水（OWS）中非贵金属双功能催化剂活性不足的问题，通过磷空位（Pv ）与p-n异质结（NiCoPv @NiFe LDH）协同策略，定量调控界面内建电场（BIEF）强度，实现HER（36 mV@10 mA?cm?2 ）和OER（220 mV）超低过电位，电解槽电压低至1.50 V，为原子级电场工程提供新范式。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，氢能作为清洁能源载体备受关注。然而，传统贵金属催化剂（如Pt/C、RuO₂
）因成本高、稳定性差，制约了碱性全解水（OWS）技术的规模化应用。过渡金属磷化物（TMPs）虽具潜力，但其析氢反应（HER）和析氧反应（OER）活性仍不理想。如何通过原子级调控打破催化性能瓶颈，成为当前研究的关键挑战。

针对这一难题，中国的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表创新成果，提出磷空位（P_v
）与p-n异质结协同增强内建电场（BIEF）的策略。通过原位拓扑重构技术，在泡沫镍（NF）上构建了磷空位富集的NiCoP_v
@NiFe LDH异质结构，首次建立了BIEF强度与催化活性的定量构效关系。

研究采用三步法合成催化剂：水热生长镍钴碳酸氢盐前驱体、可控NaBH₄
处理引入磷空位、电沉积NiFe LDH构建异质结。结合同步辐射、开尔文探针力显微镜（KPFM）和密度泛函理论（DFT）计算，系统解析了原子级电荷再分布机制。

材料表征与合成
通过SEM/TEM证实了纳米片-纳米花分级结构，EPR和XPS验证了P空位的成功引入。KPFM显示P_v
使界面电势差提升至328 mV，BIEF强度较无缺陷样品增强2.1倍。

电化学性能
在1 M KOH中，NiCoP_v
@NiFe LDH/NF表现出突破性活性：HER过电位仅36 mV（低于Pt/C的43 mV），OER过电位220 mV（优于RuO₂
的265 mV）。组装电解槽在10 mA?cm^?2
下电压低至1.50 V，稳定运行200小时无衰减。

机理研究
DFT揭示P_v
诱导的BIEF放大效应：①电子从NiFe LDH（Φ=4.8 eV）定向转移至NiCoP_v
（Φ=4.3 eV），电荷转移电阻降低48%；②调控d带中心下移0.15 eV，使氢吸附自由能（ΔG_H*
）优化至-0.12 eV；③形成双活性位点平衡H*与含氧中间体吸附。

该研究开创了"缺陷-异质结协同增强BIEF"的新范式，不仅实现了非贵金属催化剂性能的突破，更通过多尺度表征手段建立了从原子级电荷分配到宏观催化活性的完整认知链条。其提出的NaBH₄
温和缺陷工程策略，为工业化制备高效稳定催化剂提供了可行路径，对推进绿氢技术产业化具有重要指导意义。