【摘要】 陕西科技大学与加州大学圣克鲁兹分校团队在《Advanced Science》发表研究，通过原位调制NiFeOOH配位环境提升葡萄糖电催化转化与制氢性能。科学指南针提供DFT计算支持，助力机制解析与催化剂设计。

陕西科技大学张素风教授团队与加州大学圣克鲁兹分校陈少伟教授团队在《Advanced Science》发表创新研究成果，通过原位调制NiFeOOH配位环境，成功实现葡萄糖电催化转化与节能制氢的协同增强。科学指南针为本研究提供密度泛函理论计算支持，助力电子结构调控与反应机理解析。

 

研究背景与电催化挑战

葡萄糖电催化转化反应（GCR）作为替代缓慢析氧反应（OER）的阳极过程，对促进电化学分水制氢发展具有重要意义。开发高效低成本的双功能电催化剂是实现电解槽系统高效运行的关键挑战。

​核心技术瓶颈：​​

  • 贵金属催化剂成本高昂，限制大规模应用

  • 传统催化剂对GCR和HER的协同催化效率低

  • 葡萄糖转化率和甲酸产率有待提升

  • 需要开发多功能电催化剂实现节能制氢

 

创新方法：配位环境原位调制策略

研究团队开发W掺杂NiFeP前驱体结合电化学活化策略，成功实现NiFeOOH配位环境原位调制，显著提升电催化性能。

​技术突破要点：​​

  • 以NiFe-MOF为前驱体，通过离子交换和磷化制备W-NiFeP

  • 电化学活化诱导形成W和磷酸基团共掺杂的W,P-NiFeOOH

  • 配位环境调控优化d带中心，增强反应中间体吸附

  • 纳米片阵列结构提供丰富活性位点，促进传质过程

图1. DFT计算

 

材料设计与合成表征

通过精确控制合成条件，成功构建W-NiFeP纳米片阵列，并通过电化学活化获得W,P-NiFeOOH活性材料。

​结构特征验证：​​

  • W掺杂优化纳米片阵列微观结构，增强稳定性

  • 磷化处理提升HER活性，过电位显著降低

  • 电化学活化诱导表面重构，形成无定形活性层

  • W和P共掺杂调节电子结构，提升催化性能

图2. W-NiFeP/NF合成示意图及结构表征

 

理论计算与机制预测

密度泛函理论计算深入揭示W和P共掺杂对电子结构的调控机制和性能增强原理。

​计算研究发现：​​

  • W和P共掺杂优化d带中心位置，增强中间体吸附

  • 电子结构重排促进质子-电子转移过程

  • 金属-O共价性增强，加速反应动力学

  • 理论计算指导催化剂设计，预测性能趋势

 

析氢反应性能评估

系统评价W-NiFeP纳米片阵列的析氢反应性能，展现出优异的催化活性和稳定性。

​性能卓越表现：​​

  • 碱性介质中100 mA cm⁻²过电位仅-179 mV

  • Tafel斜率低，反应动力学优异

  • 电化学阻抗小，电荷转移效率高

  • 电化学活性面积大，活性位点丰富

  • 稳定性良好，长期运行性能衰减小

图3. W-NiFeP/NF的HER性能

 

电化学活化与结构演变

通过电化学原位活化策略，成功实现W-NiFeP向W,P-NiFeOOH的结构转变，获得高活性GCR催化剂。

​活化机制研究：​​

  • 电化学诱导表面重构，形成无定形活性层

  • W和磷酸基团共掺杂，优化配位环境

  • 保留纳米片阵列结构，提供充足活性位点

  • 表面电子结构调控，增强GCR催化性能

图4. W-NiFeP/NF的电化学活化形成W,P-NiFeOOH/NF的示意图及其微观形貌征

图5. W,P-NiFeOOH/NF的晶体及化学结构表征

 

葡萄糖电催化转化性能

评估W,P-NiFeOOH对葡萄糖电催化转化的性能，展现出高转化率和产物选择性。

​催化性能优异：​​

  • GCR起始电位仅1.362 V（100 mA cm⁻²）

  • 葡萄糖转化率达98.0%，效率显著提升

  • 甲酸产率85.2%，产物选择性高

  • 50次循环后性能保持稳定，耐久性良好

  • 适用于多种单糖电催化转化，通用性强

图6 W,P-NiFeOOH/NF的GCR及葡萄糖电催化转化辅助整体水分解性能。

 

全水解系统与节能制氢

构建W-NiFeP/NF||W,P-NiFeOOH/NF双电极电解槽，实现高效节能制氢与葡萄糖转化协同进行。

​系统性能突出：​​

  • 100 mA cm⁻²电流密度下电池电压仅1.56 V

  • 产氢速率达1.86 mmol h⁻¹，效率显著提升

  • 法拉第产氢效率接近100%，能量利用充分

  • 葡萄糖转化与制氢协同进行，经济效益显著

  • 系统运行稳定，50次循环性能无衰减

 

总结与展望

本研究通过配位环境原位调制策略，为葡萄糖电催化转化与节能制氢提供了创新解决方案，推动生物质增值与清洁能源协同发展。

​创新价值总结：​​

  • 首创W和P共掺杂NiFeOOH配位环境调控策略

  • 电化学活化诱导表面重构，获得高活性催化剂

  • 实现葡萄糖高效转化与节能制氢协同进行

​应用前景：​​

  • 为生物质资源高值化利用提供新途径

  • 推动电催化制氢技术在实际应用中发展

  • 为其他生物质分子转化提供设计借鉴

  • 促进清洁能源与化工生产协同发展

论文信息：Advanced Science, 2024
DOI：10.1002/advs.202412872

​科学指南针计算服务​：提供密度泛函理论计算与分子模拟支持，助力电催化剂设计与反应机理解析。了解更多：https://www.shiyanjia.com/simulate.html【科学指南针·服务声明·2025】