电催化水解产氢是获得可持续高纯度清洁能源氢气的有效途径之一。然而，水解过程中析氧反应（OER）因较高的反应能垒和复杂的电子转移过程往往表现出缓慢的动力学，同时OER活性较高的贵金属催化剂使得商业电解水成本居高不下。近年来，具有高活性低成本的过渡金属OER电催化剂成为能源领域和电化学研究的前沿和热点。公司温鸣教授团队致力于破解该难题，根据二维亚纳米超薄结构能在有效增加电解质与催化剂接触表面积的同时获得活性位点的充分暴露，为构筑高效超薄结构的多元合金OER电催化剂的发展提供了新思路。近日，相关成果以“CoFePS Quaternary Alloy Sub-nanometric-sheets by Synchronously Phospho-sulfurizing CoFe-bimetallene for Boosting Oxygen Evolution Reaction” 为题在线发表于材料科学领域国际著名学术期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials, 2023, doi.org/10.1002/adfm.202308422)。
课题组通过对双贱金属烯的同步硫磷化，获得了厚度仅为0.85 nm的亚纳米厚度超薄结构的CoFePS四元合金，由于P和S能协同调节相邻金属原子的费米能级，降低反应能垒，同时提升导电性，在OER过程中，1.8 V的电压下获得了1053 mA·cm−2的大电流密度，完全满足商业电解水对催化剂的要求。这不仅增强了金属的电子转移能力，同时还保证了活性位点与电解质之间的快速传质和降的反应能垒，而且表面电化学重构后的活性磷硫酸盐壳层进一步提高了OER稳定性。这些优势使得CoFePS可以在较低的电压下启动OER过程，仅211 mV的过电位即可获得10 mA·cm−2的电流密度，且1.8 V下获得最大电流密度1053 mA·cm−2，法拉第效率达97%。在1.63 V和500 mA·cm−2的初始大电流密度下，经过42小时反应后，电流密度保持率仍在99%左右。
理论计算和原位分析表明双贱金属烯同步硫磷化所获得的CoFePS四元合金，可以减小限速步骤的反应能垒；优化了电子结构，增强了电子转移能力。此外，OER过程中电化学重构后表面形成活性磷硫酸盐壳层，使其对反应中间体的吸附能力更适中，从而展现出优异的OER性能。
结合课题组前期工作成果（J. Energy Chem. 2022, 74, 203；Inorg. Chem. 2022, 61, 10211），研究人员发展了一种声化学法合成亚纳米厚度的双金属烯并同步硫磷化处理实现四元合金二维超薄结构的构筑策略，以实现高效稳定的OER电催化性能。
这项研究工作得到了国家自然科学基金面上项目和上海市科委项目的资助。温鸣教授为该论文唯一通讯作者，博士研究生赵龙为第一作者。该工作得到了太阳成集团吴庆生教授、祝全敬博士和英国Northumbria University傅永庆教授的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202308422
