2023-11-28
化石能源的持续消耗正在引发一系列环境问题和气候变化。因此，探索清洁高效的新能源对人类社会的可持续发展至关重要。由于其高效率和零污染，氢被认为是取代化石能源的理想候选者。在生产氢气的各种策略中，可再生电力分解水的电催化析氢反应（HER）越来越受到关注。目前，碱性环境中的HER由于其长期运行和较高的经济效益，已被广泛应用于工业水分解。然而，贵金属（如铂）仍然是HER的基准催化剂，具有高活性，但丰度有限且成本高，严重阻碍了其实际应用。因此，已经应用了许多策略来减少贵金属的使用，同时保持其活性和稳定性，包括合成合金、构建衬底/表面异质结构或制造单原子。
合成具有基底/表面异质结构的双金属纳米材料被广泛用于电催化应用，这是由于两种金属之间的协同作用。通常，传统策略是将具有高催化活性的金属设计为表面层，以完全暴露活性位点，另一种金属用作基底，以减少活性金属的使用（尤其是当贵金属充当高活性组分时）。例如Ni@Ru、Ni@Pt以及Cu@Pt具有基底/表面异质结构的催化剂由于活性金属原子的大量暴露和这些金属之间的协同作用而显示出优异的催化性能。然而，在长期催化运行期间，在衬底和表面层之间将发生原子扩散行为。也就是说，内部金属的原子可能在表面富集并阻断第一金属提供的高活性位点，从而显著降低活性和稳定性。这些结果表明，用非活性层覆盖活性金属可能会降低电催化性能。然而，最近一些关于碳包封的过渡金属基催化剂的研究表明，原本催化惰性的C表面层可能有助于获得优异的催化性能，而不是降低活性。例如Ni@C、NiCu/C和NiCo/C由于金属和C之间的相互作用，显示出比没有C层的金属材料更好的催化性能。受这些研究的启发，一个问题自然而然地出现了：当催化活性金属的表面被惰性金属层覆盖时，惰性层的存在是否总是会显著降低其催化活性？
在理解上述现象的基础上，团队博士生胡庆丰报道了一种反常的电催化行为。通过在Ni箔基底（HER的活性金属）表面电沉积Cu层（HER的惰性金属）来构建Ni/Cu双金属模型催化剂，并研究了惰性金属涂层对HER性能的影响。表征结果表明，Ni薄膜被Cu层覆盖。有趣的是，Cu覆盖的Ni箔样品（Ni/Cu-60，Cu层厚度约为10μm）显示出与纯Ni箔相似的电催化性能，并且仅观察到HER活性的轻微降低。X射线光电子能谱和理论计算表明，Ni衬底的存在改变了Cu层的表面电子结构，这可能是维持HER活性的原因。该结果表明，用惰性金属覆盖活性金属不一定总是导致电催化活性的显著降低。这将有助于扩展具有基底/表面结构的新型高效双金属催化剂的合理设计。
