晶格匹配Fe3P-Cu3P异质界面设计及其在碱性/海水介质中高效析氢反应的应用

针对碱性/海水电解制氢中催化剂活性不足的难题，研究人员通过理论计算与晶格匹配策略构建Fe3P-Cu3P异质界面，实现电荷密度重分布与动力学优化。该催化剂在10 mA/cm2下仅需40/61 mV过电位，稳定性超50小时，并成功耦合光伏制氢系统，为开发高效非贵金属电催化剂提供新思路。

　　

氢能作为清洁能源载体，其规模化生产依赖于高效低成本的电催化水分解技术。然而，当前主流催化剂如Pt/C和RuO₂因资源稀缺、成本高昂及海水环境不稳定性难以满足实际需求。过渡金属磷化物(TMPs)虽展现出替代潜力，但铜基催化剂Cu₃P的活性仍显著低于镍/钴/铁基材料。更关键的是，异质界面构建常因晶格失配导致电荷转移障碍，成为制约催化剂性能提升的瓶颈。

针对上述问题，河南师范大学的研究团队创新性地提出晶格匹配策略，通过理论预测与实验验证相结合，开发出Fe₃P-Cu₃P异质结构催化剂。密度泛函理论(DFT)计算显示，Cu₃P(300)与Fe₃P(141)晶面仅存在12.1%的晶格失配度，界面处电子重分布显著优化氢吸附自由能(ΔG_H*)。实验上采用水热-磷化法在泡沫镍(NF)基底构建该异质结构，通过X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)证实了界面原子级匹配特征。

理论预测HER性能
DFT分析揭示异质界面诱导电荷从Fe₃P向Cu₃P转移，形成电子富集区。这种电子调控使Cu位点d带中心下移0.28 eV，氢吸附能接近火山图顶点，理论过电位仅45 mV。

电化学性能表征
在1 M KOH中，Fe₃P-Cu₃P/NF达到10 mA/cm²电流密度所需过电位(40 mV)显著低于单一组分催化剂。碱性海水体系下性能仅衰减17%，塔菲尔斜率低至58.3 mV/dec，表明界面加速了Volmer-Heyrovsky反应动力学。3000次循环后活性保持率>95%，50小时恒流测试未见明显衰减。

实际应用验证
集成光伏系统的电解槽在模拟日照下实现5.8%的太阳能-氢能(STH)转换效率，日产氢量达1.02 L/cm²，证实其工程应用潜力。

该研究通过精准的晶格匹配设计，突破异质界面电荷传输壁垒，为开发高效稳定的非贵金属催化剂提供普适性策略。其创新性体现在：首次阐明Fe₃P-Cu₃P界面电子转移机制，建立晶格失配度(12.1%)与催化活性的定量关系，并实现海水电解与可再生能源的直接耦合。相关工作发表在《Journal of Colloid and Interface Science》，对推动绿氢产业化具有重要指导意义。