通过等离子体增强效应和界面工程技术，实现可见光辅助的电催化水分解，该技术利用银/铁纳米片（Ag/Fe）作为催化剂，并将这些纳米片固定在镍泡沫（Ni foam）表面上

《Materials Today Chemistry》：Visible-light-assisted electrocatalytic water splitting via plasmon enhancement and interfacial engineering of Ag/Fe nanoplates supported on Ni foam

　　

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  静电自组装将银（Ag）嵌入到带负电的铁（Fe）纳米片中。
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  银（Ag）的局域表面等离子体共振（LSPR）产生热载流子，从而增强氧气演化反应（OER）和氢氧化反应（HER）的催化活性。
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  在10 mA/cm²的电流密度下，OER过电位为206 mV，HER过电位为81 mV。
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  两电极整体水分解反应在1.53 V的电压下进行，稳定性超过120小时。
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  密度泛函理论（DFT）研究表明，银-铁（Ag-Fe）界面使铁（Fe）的d带中心下移，从而优化了吸附效果。

引言

全球能源危机和环境问题加速了对可再生和清洁能源的探索。氢气因其高能量密度和零碳排放而被视为化石燃料的有希望的替代品[1]、[2]、[3]。电催化水分解包括氢气演化反应（HER）和氧气演化反应（OER），是一种可持续的氢气生产方法。然而，OER的反应动力学缓慢（涉及四电子转移过程），这仍然是其主要瓶颈[4]、[5]。基于贵金属的催化剂，如用于HER的铂（Pt）和用于OER的RuO_2/IrO₂，虽然活性很高，但成本高昂且资源稀缺，限制了其大规模应用[6]。基于过渡金属的催化剂，特别是铁（Fe）、钴（Co）和镍（Ni）化合物，由于它们在地壳中的丰富性和可调的电子结构，已成为有希望的替代品。其中，铁基材料因其低成本和天然丰富性而受到关注[7]。然而，它们的电催化活性和稳定性通常低于贵金属。为了解决这一问题，人们探索了多种策略，包括纳米结构化[8]、异种原子掺杂[9]以及与导电载体的杂交[10]。

除了这些策略外，等离子体增强电催化最近作为一种提升催化活性的强大方法 emergence。最近，等离子体金属纳米粒子（例如金（Au）[11]、银（Ag）[12]、铜（Cu）[13]）与电催化剂结合使用，通过局域表面等离子体共振（LSPR）来提高性能。在光照射下，LSPR产生的热载流子可以促进电荷转移并降低催化反应的活化能[14]。由于载流子复合速度快且固有的电催化活性低，等离子体金属纳米粒子通常与传统的半导体催化剂结合使用以实现电荷分离[15]、[16]。例如，设计了一种金（Au）修饰的CoOOH纳米片的层状中空结构，该结构在水的氧化反应中表现出增强的催化性能[17]。同样，金（Au）/镍钴层状氢氧化物（NiCo LDH）混合物由于界面电荷转移的促进作用，显示出更高的水分解效率[18]。研究进一步强调了Cu₃₁S₁₆-Co_9-XNi_XS₈异二聚体中相干界面的关键作用，这些界面有助于多孔结构的形成并增强OER[19]。尽管取得了这些进展，但在等离子体纳米粒子与催化载体之间实现均匀分布和强界面接触仍然具有挑战性。传统方法如直接电沉积或物理混合常常导致纳米粒子聚集、粘附力差以及活性位点接触受限[20]、[21]、[22]。

在这项工作中，我们通过共沉积和蚀刻工艺在镍泡沫（Ni foam）上制备了带负电的铁纳米片支架（图1）。在碱性溶液中选择性地蚀刻铝（Al），可以得到具有丰富空隙和大量表面羟基的铁纳米片[23]。这些羟基在水中离子化，使表面带负电。ζ电位测量（图S1）证实，碱性蚀刻后的铁纳米片表面电位为-33.5 mV，而通过NaBH₄还原制备的CTAB修饰的银（Ag）纳米粒子表面电位为+25.9 mV，从而证实了这两种构建材料的相反表面电荷。经过静电组装后，所得到的Ag/Fe复合粉末的ζ电位变为-11.8 mV，表明银纳米粒子吸附到铁纳米片后表面电荷发生了重新分布。得益于这种静电吸引力，带正电的银纳米粒子均匀地嵌入到纳米片的间隙中。这种结构通过确保银（Ag）和铁（Fe）之间的紧密接触和高效电荷转移，最大化了等离子体效应。所得到的Ag/Fe纳米片/Ni泡沫（Ag/Fe nanoplates/NF）在可见光照射下表现出显著的OER和HER催化性能，过电位显著降低，催化活性得到显著提升。这项工作通过合理的界面工程和定向电荷静电组装，提供了一种构建高性能等离子体增强电催化剂的可行策略。

章节摘要

化学试剂和材料

镍泡沫（Ni Foams，纯度99.9%，孔隙率98%，厚度1.80 mm）从Incoatm有限公司（中国沈阳）购买。铂片（Pt）（纯度≥99.99%，厚度0.2 mm）从Ida有限公司（中国天津）购买。KOH、NaOH、FeCl₂·4H₂O、NaBH₄、CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）等试剂为分析级，从Aladdin有限公司（中国上海）购买，并按原样使用。实验过程中使用去离子水。

镍泡沫的制备

镍泡沫的尺寸为20 × 10 × 1.8 mm

结构分析

扫描电子显微镜（SEM）图像展示了镍泡沫表面在逐步制备过程中的形态演变。最初，铁（Fe）和铝（Al）的电化学共沉积在镍泡沫上形成一层均匀的粗糙层，其中铁纳米片构成框架，铝（Al）占据间隙（图2a）。随后的碱性蚀刻去除了铝（Al），暴露出厚度低于100 nm的独立铁纳米片支架（图2b）。在银（Ag）沉积后，银纳米粒子均匀地

结论

总之，我们通过合理的界面设计成功制备了一种等离子体增强的Ag/Fe纳米片/Ni泡沫双功能电催化剂。结合实验表征和密度泛函理论（DFT）计算，其在可见光下的优异性能归因于四个协同效应：（i）通过银（Ag）向铁（Fe）的自发电子转移优化了电子结构，使铁（Fe）的d带中心下移，减弱了*H和OER中间体的过度吸附

CRediT作者贡献声明

刘青华：撰写——原始草稿，方法学研究，资金获取，正式分析。李莉：资金获取，正式分析。林峰：方法学研究。孟向阳：验证。姜国菲：撰写——审稿与编辑，软件开发，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了山东省自然科学基金（ZR2021QB203、ZR2022QB132、ZR2024QB067）的支持。

刘青华|李莉|林峰|孟向阳|姜国菲