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文献快讯:Adv. Mater. Sn²⁺诱导原位相变构筑多功能异质结,实现高效光热/光电尿素水分解

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【成果掠影 & 研究背景】

传统的电解水制氢技术受限于阳极缓慢的析氧反应(OER),能耗高。利用热力学更有利的小分子(如尿素)氧化反应(UOR)替代OER,是节能产氢的有效途径。然而,UOR本身涉及复杂的多电子/质子转移过程,动力学缓慢,亟需开发高活性催化剂。同时,引入外部能量(如光)来协同提升电催化效率是一个新兴方向。

南京师范大学付更涛、刘英等人报道了一种巧妙的Sn²⁺诱导原位相变策略,成功制备了o-SnSe/h-NiSe/r-Ni₃Se₂三元多功能异质结构。该催化剂在808 nm近红外光照射下,展现出卓越的UOR活性,仅需1.28 V、1.34 V和1.37 V即可分别达到10、500和1000 mA cm⁻²的电流密度。当将其同时用作阳极和阴极构建尿素辅助水分解电解槽时,仅需1.34 V和1.79 V即可维持100和500 mA cm⁻²的电流密度,性能远超传统的HER||OER体系(1.61 V和1.99 V)。这项工作为设计兼具高活性位点和显著光热/光电功能的多功能电催化剂提供了新范式。

【创新点 & 图文摘要】

创新点:

  • 创新的合成策略:首次提出并验证了Sn²⁺作为相触发剂,能够驱动前驱体中的菱形NiSe(r-NiSe)原位转变为六方NiSe(h-NiSe),并同步生成正交SnSe(o-SnSe),从而一步构建三元异质结。
  • 相变提升本征活性:理论计算表明,相较于r-NiSe,原位形成的h-NiSe能够将UOR速率决定步骤的能垒从0.901 eV降低至0.745 eV,这是活性提升的结构基础。
  • 异质结优化电子结构:形成的o-SnSe/h-NiSe异质界面调节了活性Ni位点的d带中心,使其适度下移,优化了反应中间体的吸附强度,平衡了各基元反应的能垒分布
  • 显著的光热效应:o-SnSe的引入增强了材料的光捕获能力。在近红外光照射下,催化剂表面温度可从31.6°C升至50.9°C。局域光热效应促进了尿素吸附,抵消了UOR的吸热焓,并加速了界面电子/质荷转移动力学。
  • 强大的光电效应:近红外光激发产生“热电子”,使载流子密度从1.4×10²⁴ cm⁻³提升至4.2×10²⁴ cm⁻³,并将UOR的表观活化能从48.4 kJ mol⁻¹大幅降低至9.7 kJ mol⁻¹
  • 协同机制揭示:通过原位表征和对比实验,清晰揭示了Sn²⁺掺杂引起的相变、异质结形成、光热效应与光电效应之间的多重协同作用机制,共同促成了超高的UOR和全水解性能。


图1:(a) o-SnSe/h-NiSe/r-Ni₃Se₂和r-NiSe/r-Ni₃Se₂合成示意图。(b) 两种材料的XRD图谱。(c) 计算得出的Sn²⁺诱导相变过程。(d, e) SEM图像,(f) TEM图像,(g-i) HAADF-STEM图像。(j) EDS元素分布图。


图2:(a) Ni K边XANES谱,(b) Ni K边EXAFS谱的傅里叶变换,(c) 小波变换图。(d) 全谱XPS,(e) Ni 2p₃/₂, (f) Sn 3d, (g) Se 3d XPS谱。


图3:(a) UOR极化曲线,(b) 电位比较,(c) Sn含量与UOR活性的线性关系。(d-f) 不同表面的态密度图,(g) 异质界面层分辨净电荷分布,(h) UOR自由能图,(i) UOR相关中间体的原子构型。


图4:(a) XRD图谱,(b) LSV曲线,(c) 双电层电容,(d) EIS奈奎斯特图,(e) UOR稳定性测试。(f-i) 原位拉曼光谱。


图5:(a) 不同光强下的UOR极化曲线,(b) 电位比较,(c) 塔菲尔斜率,(d) TOF值,(e) 与近期报道催化剂的性能对比。(f) HER极化曲线,(g) 尿素辅助AEM电解槽示意图,(h) 全水解极化曲线对比。


图6:(a) UV-vis-NIR吸收光谱,(b, c) UPS谱,(d) 能带对齐示意图。(e) 实时红外热成像,(f) 原位温度响应曲线,(g) 光电响应曲线。(h, i) 有无光照下的Bode图,(j) 电荷转移电阻比较,(k) 莫特-肖特基曲线,(l) 活化能比较。

【总结 & 原文链接】

本研究发展了一种简便的原位相变策略,成功构建了兼具高活性电催化位点和优异光热/光电功能的o-SnSe/h-NiSe/r-Ni₃Se₂三元异质结构。其卓越的UOR、HER及尿素辅助全水解性能源于三方面的协同作用:h-NiSe相降低了反应能垒并优化了电子结构;o-SnSe拓宽了光吸收并增强了光热/光电响应;光热效应促进了传质与吸附,而光电效应则直接提升了载流子密度并降低了反应活化能。该工作不仅为设计高效多功能电催化剂提供了新思路,也深入阐明了光能与电能协同催化的内在机制,对推动节能制氢技术的发展具有重要意义。

原文链接: https://doi.org/10.1002/adma.202519855

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