调整氧化钨电子结构以增强碱性氢气析出反应

中国科学院上海微系统与信息技术研究所的研究人员证明，在氧化钨（WO₃）催化剂中掺杂适当的阳离子可改变界面结构、表面化学状态和带隙值，从而提高碱性氢气析出反应（hydrogen evolution reaction, HER）性能。在实验中，阳离子（Ni、Co和Fe）掺杂的WO₃催化剂被合成在泡沫镍上。掺有Co的催化剂（Co WO）表现出非凡的HER活性。

在这个系统中，镍基合金- WO₃界面促进了水的解离。此外，Co掺杂引起的带隙降低和电导率提高，进一步增强了HER过程中的电荷转移能力。金属-氧化物异质结构与阳离子掺杂相结合，赋予了催化剂高效的界面活性位点、优异的导电性和增强的电子转移动力学，促进了HER性能。

能源需求的增加和环境的恶化已成为关键问题，这些问题可以通过使用替代性可再生清洁能源来规避。水力发电具有零排放和高能量密度的特性，已被广泛认为是可再生清洁能源的替代来源。氢气析出反应对工业氢气经济性至关重要。

适当的电子结构意味着合适的反应物吸附/解吸/解离能量、快速的电子转移动力学和高耐久性。铂族材料在适当的电子结构下表现出优异的HER活性，但其稀缺性和高成本限制了工业应用。因此，人们在探索高效的无贵金属催化剂方面付出了大量努力，如过渡金属氧化物、硫化物、碳化物、氮化物等。

然而，由于缺乏高活性位点和适度的电荷转移能力来支持催化反应，这些催化剂在原始形态下的活性较差，无法有效地进行水分离。因此，人们探索了各种结构工程方法，如离子掺杂调节、界面构建、缺陷创建和单原子构建等来定制催化剂。具有不同缺氧程度的钨氧化物（WO3-x）由于其丰富的资源、良好的导电性和独特的缺陷结构，在电化学水分离应用中引起了广泛关注。

然而，单一成分的氧化钨在调节电化学性能方面有局限性，因为它缺乏活性位点、碱性不稳定和导电性不足。因此，结构工程策略也被用来调整催化行为。例如，Co和Fe共轭的WO2.72的电子结构和颗粒形态的调制增强了OER性能。Ni17W3-WO2异质金属金属氧化物体系通过促进碱性溶液中水的解离和氢的生成加速了碱性HER活性。然而，仍有改进催化活性的空间，这可以通过混合这些工程策略来实现。

这项研究中介绍，NiFe、NiCo、NiMo甚至NiCu可用来修饰氧化物和构建双活性位点，以提高水分离活性。在此，文章展示了一种简单的策略来设计Ni、Co和Fe掺杂的氧化钨（WO_2.72和WO₂），在其上装饰Ni基合金。在该系统，通过修改界面结构、表面化学状态和带隙值来调控催化剂的电子结构。实验表明，在碱性条件下，金属-金属氧化物界面有利于水的解离。

与只掺杂镍的WO相比，镍和钴共掺杂的带隙减小，电荷转移能力增强。因此，Co WO表现出卓越的碱性HER性能。通过阳离子掺杂增强的催化导电性，加上由镍基合金和WO₃构建的金属-金属氧化物界面，同时促进了催化剂的HER性能。

Co WO催化剂由高效的镍基合金- WO₃面组成，用于水的解离，以及由Co掺杂引起的带隙减小以促进电子转移。因此，它在碱性溶液中表现出优异的氢气析出反应性能。这项研究成功地辨别了改性氧化钨系统的调节作用，并为设计先进的电化学能源材料提供了一个策略。

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