近期，固體所微納技術與器件研究室李越研究員課題組與南洋理工大學范紅金教授課題組合作，在離子摻雜電解水納米催化劑的制備及應用研究方面取得重要進展，相關研究結果相繼發表在國際著名期刊 Advanced Materials (Adv. Mater. 30, 1802121(2018))和ACS Energy Letters (ACS Energy Lett. 3, 2750-2756 (2018))上。

　　可再生電催化分解水技術已被公認為是利用儲量豐富的水資源生產清潔氫能源，支撐能源安全和減排的最有前途的方式。開發高效的催化劑以克服緩慢的動力學過程，在較低的過電勢下加速H₂和O₂的生成速率是目前電解水技術的研究重點。當前最高效的電催化劑主要是鉑(Pt)、釕(Ru)、銥(Ir)等貴金屬催化劑，其高昂的價格和較低的儲量嚴重限制了其大規模工業應用。因此，發展低成本的高效催化劑勢在必行。

　　雙功能電催化劑的發展能夠同時改善析氫反應（HER）和析氧反應（OER）的緩慢動力學過程，對于實現高效的全解水具有重要的意義，因此，研究人員一直致力于開發具有雙功能的電催化劑，其中，開發基于過渡金屬納米材料及其衍生物的雙功能電催化劑成為了該領域的研究熱點。在這些非貴金屬材料中，具有合適的d-電子構型的過渡金屬硒化物被認為是最有前途的候選物。與純半導體材料相比，非均相金屬原子摻雜可以優化氫吸附動能，提高HER催化活性。單一陽離子摻雜雖然是增強電催化活性的有效方式，但對主體電子結構的調制不充分，增強效果非常有限。研究表明，同時摻入兩種外來陽離子可以更有效地調節晶格結構和電子相互作用，從而進一步改善催化性能。然而，關于雙陽離子摻雜的過渡金屬硒化物用于整體水電解的報道很少。

　　近期，中國科學院固體物理研究所李越課題組和新加坡南洋理工大學范紅金（共同通訊）課題組合作，制備了一種具有顯著晶格畸變和強電子相互作用的鐵、鈷雙陽離子共摻雜NiSe₂新型雙功能電解水催化劑。該催化劑在10mA/cm²的電流密度下HER和OER的過電勢分別為92和251mV。值得一提的是，當使用其作為陽極和陰極時，所得到的水分解器件可以以接近100%的法拉第效率在1.52V的電解電壓下實現水的全分解。理論計算結果進一步表明，雙陽離子共摻雜可以有效地降低NiSe₂的氫吸附自由能，該研究為雙陽離子摻雜催化劑誘導晶格畸變方法制備其他過渡金屬化合物電催化劑提供了重要參考，相關結果發表在Advanced Materials (Adv. Mater. 30, 1802121(2018))上。

　　此外，電解水催化劑中活性位點數目、水解離自由能以及氫吸附自由能是影響其堿性析氫活性的三個主要因素。但是目前，對上述三個關鍵因素同時進行調控還存在一定難度。李越課題組研究人員基于離子摻雜（金屬和非金屬離子雙摻雜）誘導晶格畸變的方法，以CoP為模型材料，證實了通過Cu、O雙摻雜策略可以誘導CoP納米材料的晶格畸變并優化其電子結構，從而實現上述三個參數的同步調制。研究結果表明，優化的Cu、O雙摻雜CoP納米線陣列電極與純CoP納米線電極相比，其堿性HER催化活性提高了近10倍。理論計算結果進一步表明，Cu 、O雙摻雜策略可以有效地同時降低CoP的氫吸附自由能以及水解離自由能。相關結果發表在ACS Energy Letters (ACS Energy Lett. 3, 2750-2756 (2018))。上述研究為未來設計和制備高效電解水催化劑提供了新的、有效途徑。

　　該項工作得到了國家重點研究開發計劃、國家自然科學基金、中科院交叉學科合作團隊計劃和中國科學院創新研究團隊國際合作項目、合肥省物理科學技術中心發展規劃重點項目以及新加坡教育部一級項目的資助。

　　文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201802121

　　          https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.8b01893

　　圖1.(a-c) 鐵、鈷雙陽離子共摻雜NiSe₂材料結構表征；(d-f) HER和OER性能

　　圖2. Cu 、O雙摻雜CoP納米線催化劑理論活性機理解釋