調整氧化鎢電子結構以增強鹼性氫氣析出反應

中國科學院上海微系統與資訊技術研究所的研究人員證明，在氧化鎢（WO₃）催化劑中摻雜適當的陽離子可改變介面結構、表面化學狀態和帶隙值，從而提高鹼性氫氣析出反應（hydrogen evolution reaction, HER）性能。在實驗中，陽離子（Ni、Co和Fe）摻雜的WO₃催化劑被合成在泡沫鎳上。摻有Co的催化劑（Co WO）表現出非凡的HER活性。

在這個系統中，鎳基合金- WO₃介面促進了水的解離。此外，Co摻雜引起的帶隙降低和電導率提高，進一步增強了HER過程中的電荷轉移能力。金屬-氧化物異質結構與陽離子摻雜相結合，賦予了催化劑高效的介面活性位元點、優異的導電性和增強的電子轉移動力學，促進了HER性能。

能源需求的增加和環境的惡化已成為關鍵問題，這些問題可以通過使用替代性可再生清潔能源來規避。水力發電具有零排放和高能量密度的特性，已被廣泛認為是可再生清潔能源的替代來源。氫氣析出反應對工業氫氣經濟性至關重要。

適當的電子結構意味著合適的反應物吸附/解吸/解離能量、快速的電子轉移動力學和高耐久性。鉑族材料在適當的電子結構下表現出優異的HER活性，但其稀缺性和高成本限制了工業應用。因此，人們在探索高效的無貴金屬催化劑方面付出了大量努力，如過渡金屬氧化物、硫化物、碳化物、氮化物等。

然而，由於缺乏高活性位點和適度的電荷轉移能力來支持催化反應，這些催化劑在原始形態下的活性較差，無法有效地進行水分離。因此，人們探索了各種結構工程方法，如離子摻雜調節、介面構建、缺陷創建和單原子構建等來定制催化劑。具有不同缺氧程度的鎢氧化物（WO3-x）由於其豐富的資源、良好的導電性和獨特的缺陷結構，在電化學水分離應用中引起了廣泛關注。

然而，單一成分的氧化鎢在調節電化學性能方面有局限性，因為它缺乏活性位點、鹼性不穩定和導電性不足。因此，結構工程策略也被用來調整催化行為。例如，Co和Fe共軛的WO2.72的電子結構和顆粒形態的調製增強了OER性能。Ni17W3-WO2異質金屬金屬氧化物體系通過促進鹼性溶液中水的解離和氫的生成加速了鹼性HER活性。然而，仍有改進催化活性的空間，這可以通過混合這些工程策略來實現。

這項研究中介紹，NiFe、NiCo、NiMo甚至NiCu可用來修飾氧化物和構建雙活性位點，以提高水分離活性。在此，文章展示了一種簡單的策略來設計Ni、Co和Fe摻雜的氧化鎢（WO_2.72和WO₂），在其上裝飾Ni基合金。在該系統，通過修改介面結構、表面化學狀態和帶隙值來調控催化劑的電子結構。實驗表明，在鹼性條件下，金屬-金屬氧化物介面有利於水的解離。

與只摻雜鎳的WO相比，鎳和鈷共摻雜的帶隙減小，電荷轉移能力增強。因此，Co WO表現出卓越的鹼性HER性能。通過陽離子摻雜增強的催化導電性，加上由鎳基合金和WO₃構建的金屬-金屬氧化物介面，同時促進了催化劑的HER性能。

Co WO催化劑由高效的鎳基合金- WO₃面組成，用於水的解離，以及由Co摻雜引起的帶隙減小以促進電子轉移。因此，它在鹼性溶液中表現出優異的氫氣析出反應性能。這項研究成功地辨別了改性氧化鎢系統的調節作用，並為設計先進的電化學能源材料提供了一個策略。

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