碳纳米球限域Ni2P-FeP异质结的界面电子工程及其在水分解与电芬顿协同体系中的应用

研究人员针对水分解-电芬顿(WS-EF)系统中HER/OER与2e- ORR反应吸附能差异大的难题，通过MOF衍生策略构建碳限域Ni2P-FeP异质结，实现69.5 mV(HER)/233 mV(OER)超低过电位和85% H2O2选择性，为氢能生产-废水处理耦合系统提供新型界面工程范式。

　　

在能源转型与环境污染治理的双重挑战下，水分解耦合电芬顿（WS-EF）系统因其能同步实现清洁制氢与污染物降解而备受关注。然而，该系统面临核心瓶颈：氢演化反应（HER）需要适中的H吸附能，氧演化反应（OER）依赖M-OOH形成能，而2电子氧还原反应（2e^- ORR）则需精确调控OOH中间体结合强度——这些相互矛盾的吸附需求使得多功能催化剂开发成为世界性难题。传统过渡金属磷化物（TMPs）如Ni₂P存在活性位点单一、导电性差等缺陷，严重制约其催化性能。

安徽高校优秀青年人才基金项目支持的研究团队创新性地提出金属有机框架（MOF）衍生策略，通过原位限域生长-碳化合金-磷化三步法，在泡沫镍上构建碳纳米球限域的Ni₂P-FeP异质结构（Ni₂P-FeP@C/NF）。该成果发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，首次实现界面电子工程对WS-EF系统的协同优化。

研究采用第一性原理计算指导催化剂设计，结合X射线光电子能谱（XPS）和同步辐射等技术表征电子结构。通过电化学工作站测试催化性能，并建立流动式反应器评估磺胺二甲嘧啶降解效率。

【合成与表征】
溶剂热法在180°C下使BTC配体与Ni²⁺/Fe³⁺在泡沫镍表面自组装形成MOF前驱体，经碳化磷化后获得直径约200 nm的核壳结构。球差校正透射电镜证实Ni₂P(101)/FeP(211)异质界面存在晶格失配，XPS显示Fe掺杂使Ni的d带中心下移0.28 eV。

【催化机制】
密度泛函理论计算揭示：异质界面通过Fe-3d轨道调控，使Ni位点的ΔG_H*接近热中性值（-0.12 eV），同时将*OOH吸附能优化至3.2 eV。碳壳层不仅提升电子传导率（电导率增加8倍），还通过空间限域防止活性组分烧结。

【性能测试】
在1 M KOH中，催化剂达到10 mA cm^-2电流密度仅需69.5 mV（HER）和233 mV（OER）过电位，全水解电压低至1.55 V。用于EF系统时，H₂O₂产率达3.2 mmol L^-1 h^-1，磺胺二甲嘧啶降解动力学常数达0.28 min^-1，50小时稳定性测试后活性保持92%。

该研究开创性地通过d带中心调控解决了多反应路径兼容性问题，建立的"电子结构-界面效应-催化性能"构效关系为设计能源-环境协同系统提供了新思路。碳限域异质结策略不仅适用于WS-EF体系，还可拓展至CO₂还原、氮还原等涉及多电子转移的反应体系，具有重要的工业应用前景。