陈钉，陆瑞虎等 科学材料站 2022-07-17 13:20 发表于安徽

文 章 信 息

功函数诱导界面内建电场促进Os-OsSe₂异质结构高效酸碱析氢

第一作者：陈钉，陆瑞虎

通讯作者：木士春

单位：武汉理工大学

研 究 背 景

通过异质结构工程调整催化剂的电子结构可以使催化剂具有快速的动力学特性，这是由于所含组分的固有各向异性所产生的内建电场(BEF)。然而，对于异质界面如何驱动电子泵送/积聚，以及如何合理选择合适的异质相来诱导有益的电子相互作用，仍缺乏深入了解。

为此，作者通过功函数 (WF) 诱导的界面内置电场在Os-OsSe₂异质结构界面产生双向有利的电荷平衡效应，不仅解析了异质界面处电子迁移的驱动机制，而且很好地说明了异质结构催化剂氢析出反应（HER）的活性起源。

文 章 简 介

基于此，来自武汉理工大学的木士春教授团队在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Work-function-induced Interfacial Built-in Electric Fields in Os-OsSe₂ Heterostructures for Active Acidic and Alkaline Hydrogen Evolution”的观点文章。

该观点文章表明，异质相之间的功函数差可异诱导双向有利的电子平衡效应产生，使Os-OsSe₂异质结构在酸性和碱性介质中均具有优异的析氢性能。

本 文 要 点

要点一：理论预测分析

与锇（Os）相比，硒（Se）的电负性更大，导致了OsSe₂中存在电子缺失的Os。当富电子的金属Os与OsSe₂结合时，会向OsSe₂释放电子，平衡OsSe₂和Os之间的电子密度，从而导致HER活性的双向调控。基于此，作者进行了深入的密度泛函理论（DFT）计算（图1）

结合吉布斯自由能的变化（ΔGH*）、电荷差分密度（DCD）、电子局域化函数（ELF）以及态密度（DOS）等一系列分析表明Os-OsSe₂异质结构的形成能够很好地平衡了强(Os)和弱(OsSe₂)吸附剂之间的电子态，双向优化了Os位点的HER活性，显著降低了热力学能垒，加速了动力学过程。

此外，为了阐明电子传递的内在驱动机制和界面平衡效应，作者进一步计算了功函数（WF）。计算结果表明，当界面相互耦合时，异质相之间WF的差异会在界面处形成BEF，驱动电荷流从高能级流向低能级，直到系统达到平衡。这也从根本上阐明了电子传递的内在驱动机制。

图1. DFT计算。

要点二：Os-OsSe₂异质结构催化剂的构筑

作者通过熔盐辅助策略实现了异质相比例可控的Os-OsSe₂催化剂的制备。通过XRD, XPS, XAS, STEM等表征手段证明了Os-OsSe₂异质结构的形成，并对其微观结构和电子结构进行了深入的分析（图2），最后通过电化学性能测试进一步确定催化剂的构效关系。

图2. 结构表征。

要点三：优异的氢析出性能

电化学测试表明，在10 mA cm^-2的电流密度下，所构建的Os-OsSe₂在酸性和碱性介质中的过电势仅分别为26 mV 和23 mV，均表现出高于商于Pt/C催化剂的HER活性。说明此时界面诱导的双向有利电荷平衡效应达到最佳效果。最后，作者利用Os-OsSe₂催化剂进行了太阳能全水解装置制氢系统的演示（图3）。

图3. 性能测试。

要点四：前瞻

该工作进一步丰富了铂族金属 (PGM)催化剂的研究体系。Os作为Pt族最具有价格优势的成员将受到进一步的关注。此外，该工作解析了异质界面引起的电子转移和电荷平衡效应的内在驱动机制，并据此提出了催化剂的电子结构优化策略。研究成果对其他催化材料的设计与构筑也具有重要的理论指导意义。

文 章 链 接

Work-function-induced Interfacial Built-in Electric Fields in Os-OsSe₂ Heterostructures for Active Acidic and Alkaline Hydrogen Evolution

https://doi.org/10.1002/anie.202208642

通 讯 作 者 简 介

木士春教授简介：武汉理工大学首席教授，博士生导师，国家级高层次人才。长期致力于质子交换膜燃电池和电解水催化剂研究。以第一作者或通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.等国内外期刊上发表260余篇高质量学术论文。