能源催化领域最新进展：双金属MOF、界面电子调控、合金设计、杂原子掺杂学术资讯

双金属MOF作为高效氧电催化剂

开发不含贵金属的双功能氧电催化剂对一些关键的能源转换和存储系统具有重要意义，但仍然存在巨大挑战。在此，新加坡南洋理工大学楼雄文教授课题组开发了一种转化方法，以在多-通道碳纤维（MCCF）上生长NiMn-基双金属-有机框架（NiMn-MOF）纳米片的潜在双功能氧电催化剂。由于活性NiMn-MOF纳米片及其与高度导电的MCCF载体紧密连接，所获得的MCCF/NiMn-MOFs表现出可与商用Pt/C电催化剂相媲美的氧气还原反应（ORR）电催化性能和优异的氧气析出反应（OER）性能（基于基准RuO₂电催化剂）。X-射线吸收精细结构（XAFS）谱和密度泛函理论（DFT）计算表明，MCCF/NiMn-MOFs中相邻Ni和Mn节点强的协同作用有效促进了关键*O和*OOH中间体的热力学，从而实现快速的ORR和OER动力学。

调节界面电子耦合以进行HER

操纵界面电子耦合的能力是实现催化剂按需功能的关键。在此，中国科学技术大学钱逸泰/王功名/刘晓静团队和国家同步辐射实验室朱俊发/郑旭升团队合作，证明了可以通过空位-介导的轨道操纵来有效地调节Fe₂N的电子耦合以进行氢气析出反应（HER）催化。非原位精修结构分析表明，Fe₂N的电子和配位态可以很好地被氮空位所操纵，这与催化活性具有显着的相关性。理论研究进一步表明，氮的空位可以唯一地控制活性位的轨道取向，以调节电子耦合，从而有利于表面吸附能力。这项工作阐明了对真实系统中催化机理的理解，并可能有助于彻底改变目前用于HER的催化剂设计。

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腐蚀与合金设计实现高效分解水

由于清洁能源领域的不断增长，Ni、Fe、Co、Cu（除稀土金属外）是一些需求旺盛的关键材料。在此，韩国汉阳大学Sung Chul Yi课题组通过将废旧轮胎的不锈钢丝（SSW）作为载体材料，以整合氢气析出反应（HER）中的催化剂。此外，通过腐蚀设计的SSW被用作原位形成的自支撑坚固电极，以进行氧气析出反应（OER）。通过SSW的表面腐蚀，内在的活性物质以Ni/FeOOH纳米微晶的形式存在，其在1 M KOH中以287 mV低的过电势（η₅₀₀）能够达到500 mA cm^-2，显示出有效的水氧化作用。类似地，具有MoNi₄活性（合金）涂层的正极废料SSW在η_-200= 77 mV时催化HER，活化能低（Ea= 16.338 kJ mol^-1）且具有150 h长的耐久性。甚至，当在5 M KOH、343 K的工业条件下使用时，这些电极可分别在η= 233 mV和η= 161 mV时产生1000 mA cm^-2的高负极和正极电流密度，进一步证明该材料的活性。这项工作可能会激发研究人员探索和重新利用废料中的高需求金属，以解决清洁能源技术中的关键材料短缺问题。

杂原子掺杂Co纳米线有效分解水

为了更好地分解水，必须迅速开发出具有高活性、长期稳定性和成本效益的高效催化剂。在这项工作中，韩国全北国立大学Joong Hee Lee/Duy Thanh Tran团队制备了一种双功能催化剂，其由一层薄的Mo，P-共掺杂Co层（约50 nm）和Co纳米线（Co-Mo-P/CoNWs）网络自组装而成。为达到20 mA cm^-2的电流响应，该催化剂对氢气析出反应和氧气析出反应可分别展现出0.08和0.27 V低的过电势，并且在1.0 M KOH介质中具有长期稳定性。出色的性能进一步得到基于Co-Mo-P/CoNWs电解槽的证实，其仅需1.495 V的电池电压就能达到10 mA cm^-2，优于商用的（Pt/C + RuO₂/C ）以及最近所报道的。普遍认为，由Mo和P双重掺杂引起的多活性中心以及增加的活性位点协同促进了氢气和氧气的析出性能。这种杂化材料为开发高效且具有成本效益的水分解催化剂开辟了新途径。

磷掺杂氮化铁@氮掺杂碳纳米片用于水分解

提出一种新颖、经济、安全的制备方法来设计高效的电催化剂至关重要。在此，济南大学周伟家/刘宏/Xiaoyan Liu团队通过原位衍生酿酒酵母（S. cerevisiae），将磷-掺杂的氮化铁纳米离子（被氮-掺杂碳纳米片封装）直接生长在泡沫铁基底上（P-Fe₃N@NC NSs/IF），其中的阴离子元素为S. cerevisiae中的C、N和P都替代了危险的CH₄、NH₃和H₃P。N、P在S. cerevisiae中的扩散方式以及金属和S. cerevisiae之间的接触形式可影响高温煅烧过程中产物的组成和相。所获得的P-Fe₃N@NC NSs/IF表现出优异的电催化性能和耐久性，可用于氢气析出反应和氧气析出反应。理论计算证实，P-Fe₃N的Fe位点是活性中心，并且N位点和P掺杂调节了氢气结合强度以增强催化能力。此外，由P-Fe₃N@NC NSs/IF组装成的两电极电解槽仅需1.61 V的电压即可达到10 mA cm^-2的全解水效果，并具有出色的稳定性。基于S. cerevisiae的工艺为合成氮化物、碳化物、磷化物和电催化应用提供了一种可行的方法。