湖南大學在過渡金屬碳化物電催化水分解研究方面取得進展

2020-09-18 小材科研

環境友好和高熱值的氫能被認為是化石能源的理想替代品。為了實現有效的氫轉化，開發高效率和長期穩定的電解水析氫反應（HER）催化劑迫在眉睫。目前，Pt被認為是最優的HER催化劑，但昂貴的成本限制了其廣泛應用。在眾多非貴過渡金屬（例如：Ni、V、Mo、Fe、Cr和W）及其化合物中，過渡金屬碳化物(TMCs)因其具有類似貴金屬Pt的電子結構和催化特性而備受關注。但是，TMCs表面的氫結合能（∆GH *）負值較大，Hads脫附受到限制，需要進一步優化其電子結構。

圖1. Ni活化TMC的合成示意圖。

近日，湖南大學先進炭材料研究中心李軒科教授在國際頂級期刊Advanced Energy Materials (影響因子：25.245) 上發表題為「Ni‐Activated Transition Metal Carbides for Efficient Hydrogen Evolution in Acidic and Alkaline Solutions」的封面文章。該工作通過引入吸附Ni在TMC表面（M ＝ V，Fe，Cr和Mo）顯著增加了催化劑的活性位點數量和本徵催化活性。

圖2.Ni-GF/VC的XRD、XPS、XAFS表徵。

這一普適性的Ni活化策略使得催化劑在酸鹼性環境中都表現出優異的電催化性能和穩定性：在10 mA cm-2時，Ni-GF/VC和Ni-GF/Fe3C催化劑在1 M KOH中的過電勢分別為128和93 mV，在0.5 M H2SO4中的過電勢分別為111和112 mV。即使在150 mA cm-2時，它們在鹼性溶液中的過電勢也分別低至270和291 mV, 可以媲美Pt/C催化劑。通過密度泛函理論計算和X射線吸收精細結構分析，這種Ni原子以團簇的形式吸附於TMC的C位點，有效地優化了TMC的d帶電子結構、顯著降低了Volmer和Heyrovsky過程的能壘。

該論文第一作者為湖南大學材料科學與工程學院博士研究生楊晨帆，通訊作者為湖南大學李軒科教授、德國錫根大學楊年俊博士和武漢科技大學張琴副教授。

來源：湖南大學材料學院

文章連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202002260

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