北京
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研究内容
设计经济高效的电解水催化剂是一种有效的制氢途径。对于实际应用，需要高活性和稳定的析氢反应(HER)催化剂在高电流密度(≥1000 mA cm-2)正常工作。然而，如何同时提高这些催化剂的催化活性和界面稳定性仍然是一个挑战。
在活性催化剂和电极之间瞬间建立化学结合可能是一种从本质上提高HER催化剂机械稳定性而不影响其化学活性和稳定性的有效方法。导电基体的快速自热(焦耳热)可以在基体上原位合成化学键合催化剂，避免了因团聚而导致的活性衰减。
清华大学刘锴教授、清华大学深圳研究生院李佳教授和北京科技大学孙颖慧教授开发了一种快速、节能、自加热的方法，通过超快加热和超快冷却合成高效Mo2C/MoC/碳纳米管析氢反应催化剂。结果表明，Mo2C/MoC/碳纳米管催化剂展现出良好的活性和稳定性。相关工作以“Ultrafast self-heating synthesis of robust heterogeneous nanocarbides for high current density hydrogen evolution reaction”为题发表在Nature Communications上。
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研究要点
要点1.在制备过程中，作者利用碳纳米管(CNT)薄膜作为热源和基体，在数百毫秒内快速改变其温度，在Mo和C前驱体存在的情况下，原位合成了性能稳定的Mo2C/MoC/CNT催化剂复合薄膜。均匀分散的Mo2C/MoC非均相纳米颗粒尺寸为几十纳米，并与碳纳米管膜形成强化学键。
要点2.实验和密度泛函理论(DFT)计算表明，大量的Mo2C/MoC异质界面为HER提供了丰富的活性位点，具有适度的氢吸附自由能ΔGH* (0.02 eV)，瞬时高温使Mo2C/MoC催化剂与CNT/电极之间的强化学键合显著提高了机械稳定性。
要点3.结果表明，Mo2C/MoC/CNT催化剂在1 M KOH中，在1000 mA cm-2和1500 mA cm-2时，过电位分别为233 mV和255 mV，在1000 mA cm-2下工作14天后，过电位变化很小，表明该高电流密度析氢反应催化剂具有良好的活性和稳定性。在高电流密度下，Mo2C/MoC与CNT之间的强化学键明显减弱了Mo2C/MoC纳米颗粒在HER过程中的溶解和脱落。
该催化剂具有良好的活性、良好的稳定性和较高的产氢率，可满足各种应用场合的制氢要求。
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研究图文
图1. 合成的Mo2C/MoC/CNT薄膜的结构表征。
图2. Mo2C/MoC/CNT薄膜的电子显微表征。
图3. Mo2C/MoC/CNT薄膜电催化HER性能研究。
图4. DFT计算。
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文献详情
Ultrafast self-heating synthesis of robust heterogeneous nanocarbides for high current density hydrogen evolution reaction
Chenyu Li, Zhijie Wang, Mingda Liu, Enze Wang, Bolun Wang, Longlong Xu, Kaili Jiang, Shoushan Fan, Yinghui Sun,* Jia Li,* Kai Liu*
Nat. Commun.
DOI: 10.1038/s41467-022-31077-x
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