on style="line-height: 1.75em; box-sizing: border-box;">▲第一作者：孙华传
全球能源危机以及严重的环境问题，急需当前社会开发出一种绿色、高效的替代品来替代传统的化石燃料。其中，氢(H2)作为一种清洁的无碳能源载体，被认为是下一代能源体系的一个极具前景的候选品。利用太阳能和风能等可再生电力进行水电解，是一种可持续且高效的高纯度氢气生产方法，近年来受到广泛关注。因此，开发具有低过电位和快速反应动力学的高效电催化剂，对于大规模制氢是非常重要的。贵金属Pt基材料因其最优的氢吸附自由能，被认为是目前最先进电催化析氢（HER）催化剂；然而，它的高成本和低储量等缺点严重阻碍着进一步的广泛应用。更重要的是，pt基催化剂在非酸性介质(即中性和碱性电解质)中表现出较差的HER活性，通常比在酸性介质中测量的HER活性低2-3个数量级。因此，在较宽的pH范围内，设计和开发性能优良、稳定性好的理想电催化剂十分必要。近日，来自华中科技大学王春栋副教授团队和中国科学技术大学熊宇杰教授团队合作，在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Achieving highly efficient pH-Universal hydrogen evolution by superhydrophilic amorphous/crystalline Rh(OH)3/NiTe coaxial nanorod array electrode”的研究文章。该文章仔细研究了不同实验条件对纳米材料结构和性能的影响，并通过理论结合实验的方式系统阐述了非晶/结晶纳米材料的耦合协同作用，这项工作为设计分子和介观层面的高效析氢电催化剂提供了见解。
要点一：在本文中，作者通过水热合成和随后的化学蚀刻工艺，成功地制备出一种由晶体镍碲纳米棒和非晶态氢氧化铑组成的复合纳米异质结构 (a-Rh(OH)3/NiTe)，并将其作为电催化剂用于全pH介质中的析氢反应(HER)。
▲图1. a-Rh(OH)3/NiTe电极的制备流程示意图以及结构与微观形貌表征。
要点二：非晶/结晶a-Rh(OH)3/NiTe复合纳米异质结构富含大量不饱和缺陷位点，电荷传输快，对反应中间体表现出最优吸脱附能力。
▲图2. a-Rh(OH)3/NiTe电极的理化性质表征。
▲图3. a-Rh(OH)3/NiTe电极的超亲水性和超疏气性测试。
要点三：测试表明，在碱性、中性和酸性介质中，所制备出的a-Rh(OH)3/NiTe阴极催化剂在100 mA cm-2电流密度下的HER过电位分别为51, 109和64 mV，电催化析氢法拉第效率接近100%。
▲图4. a-Rh(OH)3/NiTe及其对比样在1 M KOH溶液中的电催化HER性能测试。
▲图5. a-Rh(OH)3/NiTe及其对比样在酸性和中性电解质中的电催化HER性能测试。
要点四：密度泛函理论(DFT)计算表明，a-Rh(OH)3与NiTe之间的电子相互作用可以显著增强Rh活性中心的性能。与此此同时，该工作还为非晶材料的理论计算提供了一些新的认识。更重要的是，该异质结具有超亲水性和疏气性，这不仅有助于电解质的传输，而且可以确保氢气气泡的快速释放，从而赋予电催化剂在各pH介质中高效的HER催化活性。
▲图6. 密度泛函理论计算。
总结：综上所述，一种由非晶态Rh(OH)3和晶态NiTe组成的新型核-壳纳米棒阵列，通过简单的水热加刻蚀两步工艺，实现了广泛pH 值的HER应用。在碱性、中性和酸性介质中，驱动100 mA cm-2的电流密度， a-Rh(OH)3/NiTe仅需要51、109和64 mV的过电位，超过了最近报道的大多数先进贵金属催化剂。实验和密度泛函理论计算表明，该催化剂的高催化性能是由于非晶壳与棒状晶芯的耦合协同作用。更具体地说，非晶态的Rh(OH)3壳层提供了丰富的活性位点，促进了反应物的吸附，晶态的NiTe纳米棒芯具有良好的导电性，有利于电子转移。此外，a-Rh(OH)3/NiTe表现出的超亲水性和疏气性也为其显著的HER活性起到极大促进作用，这不仅有利于电解质的传输，而且还加速了生成的氢气气泡的释放。本研究从分子、电子行为以及介观层面的多尺度视角，为高性能HER电极的设计提供了不同的视角。
Huachuan Sun, Linfeng Li, Muhammad Humayun, Huaming Zhang, Yanan Bo, Xiang Ao, Xuefei Xu, Kun Chen, Kostya (Ken) Ostrikov, Kaifu Huo, Wenjun Zhang, Chundong Wang, Yujie Xiong. Achieving highly efficient pH-universal hydrogen evolution by superhydrophilic amorphous/crystalline Rh(OH)3/NiTe coaxial nanorod array electrode. Appl. Catal. B Environ. 2022.DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121088.王春栋副教授，华中科技大学光学与电子信息学院/武汉光电国家研究中心双聘副教授、华中卓越学者。2013年于香港城市大学获得博士学位，2013-2015年先后在香港城市大学、香港科技大学，荷语鲁汶大学任高级研究助理/副研究员，比利时弗拉芒政府科学基金会FWO学者，鲁汶大学F+研究员，2015年9月起任职华中科技大学。研究领域为非贵金属光/电催化剂设计及其在环境和能源中的应用。在J. Am. Chem. Soc.，Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed. 等杂志发表 SCI 论文 140 余篇，他引5000余次， H-因子 42（谷歌学术）。
https://apcdwang.wixsite.com/hust-cdwang
熊宇杰，中国科学技术大学教授、博士生导师。1996年进入中国科学技术大学少年班系学习，于2004年获无机化学博士学位，2004-2011先后在美国华盛顿大学（西雅图），伊利诺伊大学香槟分校，美国华盛顿大学圣路易斯分校任职，2011年起任中国科学技术大学任教授。2017年获国家杰出青年科学基金资助，入选英国皇家化学会会士。2018年获聘长江学者特聘教授，入选国家万人计划科技创新领军人才。目前聚焦化学键的可控裁剪及重组，发展催化材料与碳基分子的无机表界面化学，为太阳能驱动人工碳循环应用提供物质基础。迄今为止，在Science等国际刊物上发表220余篇论文，总引用30,000余次（H指数89），入选科睿唯安全球高被引科学家榜单和爱思唯尔中国高被引学者榜单。2012年获国家自然科学二等奖（第三完成人），先后获得中国科学院优秀导师奖（四次），中美化学与化学生物学教授协会杰出教授奖，英国皇家化学会Chem Soc Rev开拓研究者讲座奖。现任ACS Materials Letters副主编。http://staff.ustc.edu.cn/~yjxiong/chinese.html孙华传，华中科技大学光学与电子信息学院的2019级博士研究生，研究方向为高活性金属电催化剂设计合成及其在电解水中的应用，目前以第一作者和共同第一作者的身份在J. Am. Chem. Soc.、Appl. Cata. B-Environ、ACS Appl. Mater. Inter.、Chem. Eng. J.、J. Power Sources等期刊发表SCI论文7篇，其中2篇入选ESI高被引论文。
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