与化石燃料不同的是，化石燃料在发电时会释放出对人类健康和环境有害的颗粒污染物和二氧化碳，而氢气被认为是最清洁的能源载体，在发电时只产生H2O。目前，最流行和最经济的制氢商业流程是蒸汽-甲烷重整，它使用化石燃料作为原料，并产生相当数量的二氧化碳作为副产品。而孪晶是提高金属催化剂电解裂水效率的有效途径。
来自中国台湾的学者采用有机辅助电沉积技术，在高脉冲电流密度下成功制备了具有致密的共格纳米孪晶(NTCu-5 nm)晶界的树枝状Cu。Nt晶界显著提高了NTCu-5 nm在纳米晶Cu(NCCu)上的电催化效率和稳定性，在10 mA cm−2时，析氧反应的过电位从378 mV降低到281 mV，析氢反应的过电位从235 mV降低到88 mV，在500 mA cm−2超高初始电流密度下连续运行100h后，计时电流衰减仅为27%。缺陷的孪晶界可以在低过电位下形成活性的CuIO2−，从而提高过电流性能。孪晶界诱导的协同几何和电子电子效应导致吉布斯氢吸附自由能(ΔGH)向交换电流密度火山图的顶点移动，使其活度显著提高。相关文章以“Twinning Enhances Efciencies of Metallic Catalysts toward Electrolytic Water Splitting”标题发表在Advanced Energy Materials。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202101827
图1.以相应的TEM图像和SAED图案为插图的Cu树枝晶的HRTEM图像：a)NCCU，b)NTCu-20 nm，c)NTCu10nm，d)NTCu-5 nm。统计了e)NTCu-20 nm，f)NTCu-10 nm和g)NTCu-5 nm的孪晶片层宽度分布。
图2.Cu树枝晶在1M KOH中的电催化裂水性能：a，b)IR补偿的OER和HER的LSV曲线，c，d)Tafel曲线图分别用于OER和HER。
图3.a)在1M KOH中OER的NTCu-5 nm的原位拉曼光谱演化。b，c)NCCU的HRTEM图像和NTCu-5 nm的HRTEM图像，分别以局部放大的SAED图像和Cu2O相的HRTEM图像为插图。
图4.HER的DFT建模。a)Cu、TCu和Pt模型在U=0V和pH=0时的Gibbs自由能图。b)Cu、TCu和Pt在d带中心的氢吸附能。使用表面覆盖率(θ)为0.25时的FCC(111)，并将校正能量用于ΔGH计算。
图5. NCCu//NCCu, NTCu-5nm//NTCu-5nm, 和Pt/C//IrO2对在1M KOH中的整体裂水性能：a)LSV曲线，b)塔菲尔斜率，c)与排名靠前的无贵金属双功能催化剂相比，NTCu-5nm//NTCu-5nm对达到10 mA cm−2所需的电池电压，d) NTCu-5nm//NTCu-5nm 和 NCCu//NCCu的计时安培稳定性测试
本文用有机辅助电沉积方法成功地合成了具有丰富的窄间距共格孪晶晶界的树枝状Cu，并将其应用于金属催化剂对孪晶电解裂解水的催化效率的显著提高。与纳米晶铜相比，孪晶铜对电解水的催化效率和稳定性显著提高。这一改善归功于与孪晶相相关的更高的电学和化学性质，包括更高的电导率以促进法拉第反应中的电荷转移，更好的抗氧化剂过氧化能力(增强稳定性)，以及更高的化学反应性(形成活性CuIIIO2−)以增强氧电阻性能和氢吸附以提高其效率。本工作为通过二维缺陷工程进行催化剂的突破性设计开辟了新的有希望的篇章，并可推广到广泛的催化过程中。
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