氫氣是一種清潔、可持續(xù)的能源，被認為是一種有前景的化石燃料替代品。氫元素普遍存在于各種類型的化合物中，其中水的含量最豐富，也是最綠色的，這就決定了電解水產氫有望成為最高效、最環(huán)保的技術。然而，具有兩個電子轉移過程(2H++2e-=H2)的電解水半反應析氫反應(HER)需要較大的過電位，因此需要高效的催化劑。
目前，Pt族金屬在降低HER的過電位方面表現出了壓倒性的優(yōu)勢，并被證明是最高效的催化劑，但其高昂的成本和稀缺性限制了它們的大規(guī)模應用。因此，探索其他儲量豐富、性能優(yōu)良的產氫催化劑至關重要。基于此，天津城建大學韓高峰和河北工業(yè)大學孟軍平(共同通訊)等人制備了具有異質結構的雙相Mo2C/Mo3N2/C納米片，作為高效、低成本的HER電催化劑。本文測試了Mo2C/Mo3N2/C，Mo2C/C和Mo3N2/C在堿性(1 M KOH)和酸性(0.5 M H2SO4)環(huán)境下的HER性能，還與商業(yè)Pt/C進行了比較。在堿性條件下，在1 M KOH中，當電流密度為10 mA cm-2時，Mo2C/Mo3N2/C的過電位僅為76 mV，明顯低于Mo2C/C(142 mV)、Mo3N2/C(187 mV)和Pt/C(389 mV)。雖然Mo2C/Mo3N2/C的催化性能略差于商業(yè)Pt/C，但它比之前報道的大多數用于HER的Mo基電催化劑要好得多。之后，本文還測試了Mo2C/Mo3N2/C，Mo2C/C，Mo3N2/C，碳和Pt/C在0.5 M H2SO4中的HER性能。對于Mo2C/Mo3N2/C，Mo2C/C，Mo3N2/C，碳和Pt/C，它們分別需要121、163、249、338和39 mV的過電位達到10 mA cm-2的電流密度。雖然在低電流密度下，Mo2C/Mo3N2/C的性能較差，但是在較大的電流密度(100和200 mA cm-2)下，Mo2C/Mo3N2/C的過電位僅為248和316 mV，這一HER性能是值得關注的。雙相Mo2C/Mo3N2/C的壓倒性的優(yōu)勢可以歸因于Mo2C和Mo3N2以及碳基底的特殊結構，并且目前可以肯定的是，Mo2C/Mo3N2/C在堿性和酸性環(huán)境中都具有高效的催化活性。本文根據電化學測試以及理論計算結果可以得出Mo2C/Mo3N2/C電催化性能優(yōu)異的原因在于：(1)適當的Mo2C∶Mo3N2比例，二者之間的協(xié)同作用有利于Hads的吸附/脫附。計算結果表明，Mo2C/Mo3N2的Mo和C位點吸附-脫附Hads的ΔGHads分別為-0.17和0.10 eV，均低于Mo2C(-0.25 eV)和Mo3N2(-0.40 eV)的Mo位點。這說明獨特的異質結構加速了Hads的吸附和脫附，從而增強了催化劑的HER本征活性。這也有利于Volmer-Heyrovsky/Tafel反應；(2)納米級的Mo2C和Mo3N2化合物形成豐富的非均相納米界面，促進電子傳遞；(3)Mo2C/Mo3N2/C疏松多孔的的結構可以產生更多的活性位點，這有利于Mo2C/Mo3N2/C與電解質的接觸，也有利于氣泡的釋放。本研究利用染料廢水制備了多相鉬基催化劑，這為開發(fā)高效、低成本的HER催化劑提供了參考，預計將為實現“碳峰值”和“碳中和”目標貢獻力量。Dual-phased Mo2C/Mo3N2/C nanosheets for efficient electrocatalytic hydrogen evolution, Journal of Materials Chemistry A, 2023, DOI: 10.1039/d2ta09813j.https://doi.org/10.1039/D2TA09813J.
