近日，我院周海青、餘芳教授課題組在電解水制氫研究領域取得了重要進展，研究成果以“Engineering in-plane nickel phosphide heterointerfaces with interfacial sp H-P hybridization for highly efficient and durable hydrogen evolution at 2 A cm^-2”為題於2021年11月25日在應用物理領域國際權威期刊《Small》上在線發表。近三年來，周海青教授課題組在氫能量子催化（光電制氫、電解水制氫、燃料電池）領域取得了系列創新性研究成果，主要發表在應用物理及其交叉學科領域國際知名刊物上：Nat. Commun.2018, 9, 2551（引用527次，ESI熱點、高被引）；Energy Environ. Sci.2018, 11, 2858（封面文章，ESI高被引）；Energy Environ. Sci.2018, 11, 2246（ESI高被引）；Small2019, 15, 1804272（ESI高被引）；Mater. Today Phys.2018, 7, 121（引用125次）；ACS Catal.2020, 10, 1511；Small2020, 16, 1906629；Mater. Today Phys.2021, 16, 100314（ESI高被引）；J. Mater. Chem. A2021, 9, 10199；Small2021, doi.org/10.1002/smll.202104624。國內外媒體諸如Phys.org、Science Daily、Green Car Congress、Materials Views China、能源學人、微算雲平臺、X-MOL等對這些工作進行了報道和轉載。

近年來，氫能的高效制取和利用吸引了國際社會的廣泛關註，其中氫能的廉價、綠色製備仍然是一個挑戰。電解水制氫技術可以將大自然儲量豐富的可再生電力資源（光伏、水電、風電等）轉化為可儲存、運輸的氫能，無碳排放，氫氣純度高達98%，是非常有效的綠色制氫途徑之一。為減小電解水制氫反應過電位，降低電能消耗，研發出高活性的陰極析氫或陽極析氧材料至關重要。目前，高活性的催化材料仍然以鉑、釕等貴金屬材料為主，但其昂貴的價格限制了規模應用。因此，尋找可替代的性能優異、價格低廉、穩定性好的非貴金屬析氫、析氧材料，以期在大幅降低電極材料成本的同時，有效提升非貴金屬材料的催化活性和能量轉換效率，實現在大電流高效、穩定製氫，這是當前電解水制氫技術走向產業化亟待攻剋的科學難題之一。

2005年，Rodriguez等人通過理論計算提出磷化鎳（Ni₂P）可能是良好的析氫催化材料，並且發現帶負電荷的非金屬原子和孤立金屬原子分別作為質子結合位點和氫化物結合位點共存於Ni₂P(001)晶面。這一重要理論預測激發了金屬磷化物作為析氫材料的廣泛研究。然而，作為最早被研究的金屬磷化物催化材料，單一相的磷化鎳不具有優異的析氫活性。目前已有的研究結果表明富磷的磷化鎳（Ni_xP_y, x < y）具有良好的氫吸附活性以及穩定性，但其導電性不盡人意。而貧磷的磷化鎳（Ni_xP_y, x > y）則具有優良的導電性，但氫吸附能力稍差。因此，整合具有不同性質的磷化鎳材料，改善界面接觸來調控材料的電子結構有望實現其析氫性能的有效提升。

針對上述問題，周海青、餘芳教授團隊通過陰離子取代將富磷的NiP₂和貧磷的Ni₅P₄整合在一起，形成面內異質結，不僅調節了異質結的局域電子結構和H^*吸附活性，而且提高了材料整體的導電性和穩定性。所製備的NiP₂/Ni₅P₄異質結材料在酸性電解液0.5 M H₂SO₄中展現出與貴金屬鉑不相上下的催化活性和穩定性。即便在2 A cm^-2的超大電流密度下，NiP₂/Ni₅P₄仍然能夠穩定析氫超過36小時，而過電位僅為247毫伏，完全滿足商業化電解水的標準和要求。在此基礎上，借助密度泛函理論計算發現了面內異質結具有不同於傳統金屬磷化物的析氫特性，其活性氫吸附位點位於面內界面處的磷原子，而非鎳原子，從而提出了一種新的氫吸附活性位中心。這項工作表明構築基於金屬磷化物的面內異質結的策略有望大幅提升非貴金屬磷化物的析氫活性和和大電流穩定性，為開發出商用電解水制氫催化材料提供了新的設計思路（DOI: 10.1002/smll.202105642）。

湖南師範大學是本文的第一完成單位，合作單位有中南大學、美國休斯頓大學。我院餘芳教授是論文的第一通訊作者，師資博士後周倩博士為論文的第一作者，中南大學張龍博士提出理論方案。該工作得到了國家自然科學基金面上項目和國家海外高層次青年人才項目的資助。相關鏈接：

論文：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202105642

報道：https://www.materialsviewschina.com/2020/04/43850/

https://mp.weixin.qq.com/s/GPVdkIy709E9PNxzUJmGKA

https://mp.weixin.qq.com/s/5XkxSLTVcu6GjnJGPtV2Uw

https://mp.weixin.qq.com/s/X-uidEZwsw9m8VGPtdKr4A

https://mp.weixin.qq.com/s/orz1tMAEKl8sfa6DVHRU5A

https://www.x-mol.com/news/14263

https://phys.org/news/2018-06-hybrid-catalyst.html