南航彭生杰Nature子刊：电流密度达到工业级！快速完全重构产生实际活性物种实现高效HER
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电催化水分解是一种经济有效的制氢方法。析氢反应(HER)作为水分解半反应之一，是影响制氢工艺的一个重要因素，需要开发具有快速动力学的高效析氢催化剂以加速电化学水分解。过渡金属基材料已成为贵金属催化剂的有希望的替代品，它们容易在复杂的催化反应条件下进行电化学表面重构，最终表现出优异的催化性能。
然而，重构的催化剂通常存在多种组分和价态，这使动态变化过程复杂化，导致对实际催化活性物种的鉴定和对真正催化活性中心的理解极其困难。因此，探索催化剂的动态重构机理，揭示催化剂的实际活性物种，有利于高效非贵金属基电催化剂的准确设计。
近日， 南京航空航天大学彭生杰 课题组研究了基于CoC 2 O 4 @MXene模型催化剂在HER反应中的重构过程。所制备的异质结构催化剂具有纳米管结构，由于界面诱导效应，CoC 2 O 4 纳米棒与MXene自组装而成；这种良好的亲水性纳米管结构可以极大地提高电解质的渗透性，而高导电率的超薄MXene提供了一条有效的电子通路，有利于快速、完全的自重构过程。此外，松散的结构是驱动催化剂完全重构的主要因素。
原位表征和X光吸收光谱显示了由CoC 2 O 4 转化而来的Co(OH) 2 作为实际活性物种；重构后的新组分可以调控电子的离域并降低反应能垒，从而导致快速电子转移。更重要的是，这种快速重构引入了Co(OH) 2 的高度无序结构，其中有大量暴露的Co活性位点，这可以促进水分子的吸附，优化H*中间体的结合能，从而提高HER动力学。
因此，即使在高电流密度下，Co(OH) 2 和MXene之间的协同作用也保证了显著的HER活性。具体而言，在1 M KOH中，重构后的CoC 2 O 4 @MXene在10 mA cm -2 和1000 mA cm -2 电流密度下的过电位分别为28 mV和216 mV。即使在碱性和中性海水中，重构后的CoC 2 O 4 @MXene表现出优异和稳定的HER性能。本研究揭示了CoC 2 O 4 在HER过程中快速完全重构的过程，这为理解催化剂性能增强的起源和未来催化剂设计提供了指导。
Rapid Complete Reconfiguration induced Actual Active Species for Industrial Hydrogen Evolution Reaction. Nature Communications , 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-33590-5
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