浙工大化工王鸿静教授团队在氢溢流效应增强工业级电流密度电解水制氢领域获进展
H2具有高能量密度和零排放的特点，是替代传统化石燃料的理想能源载体。与传统的工艺相比，电解水是一种绿色且高效的生产高纯氢气的方法。尽管在开发高性能催化剂方面取得了丰硕成果，但大多数材料在苛刻的酸性介质中，尤其是在高电流密度条件下，仍存在HER动力学缓慢、耐久性差等问题。
Pd/Ir异质金属烯的（a）界面电子组态示意图
（b）表面氢溢流现象及相关过程
金属负载催化剂中的氢溢流效应能够有效提高HER的性能。它包括三个步骤:（Ⅰ）金属上的氢吸附（ΔGH-metal < 0），（Ⅱ）金属→载体上的氢溢流，（Ⅲ）载体上的氢解吸（ΔGH-support > 0）。然而，金属和载体之间费米能级（Ef）的巨大差异会在界面处引起电荷积累，从而导致高势垒和强质子吸附，限制了HER的活性。当金属和载体之间具有相似的Ef，有利于调控电子构型，降低氢溢流的能量势垒，从而促进HER动力学。通过研究Ef与材料功函数（Φ）（Ef = Φ - Evac）之间存在定量关系，采用DFT计算ΦIr和ΦPd。ΦIr为5.66 eV，ΦPd为4.9 eV，两者相差仅为0.76 eV。这表明Pd和Ir之间较小的ΔΦ有利于氢从金属（Pd）向载体（Ir）溢出，使Pd/Ir成为一种潜在的高效HER电催化剂。
氢溢流效应增强Pd/Ir异质金属烯析氢性能示意图
鉴于此，浙江工业大学化学工程学院王鸿静教授团队报道了一种Pd/Ir异质金属烯材料，用于工业级电流密度下的电解水制氢。金属Ir的引入对Pd位点的调节作用明显，Pd-Hads的吸附峰减弱，吸附氢可以快速从Pd位点分离，提高HER活性。在Pd/Ir界面上引发的氢溢流效应充当了H+吸附/H2脱附过程中的桥梁，从而导致速率决定步骤变为Tafel步骤，加速了HER动力学。Pd/Ir异质金属烯表现出优异的HER催化活性，仅需21和133mV的过电位就能达到10和1000mA cm-2的电流密度，Tafel斜率仅为21mV dec-1，且在250mA cm-2下的100h计时电位测试中表现出良好的稳定性。
该成果以“Hydrogen spillover effect tuning the rate-determining step of hydrogen evolution over Pd/Ir hetero-metallene for industry-level current density”为题发表于《应用催化B: 环境与能源》（Applied Catalysis B: Environment and Energy），论文第一作者为浙江工业大学化学工程学院助理研究员邓凯博士，通讯作者为化学工程学院王鸿静教授。
