湖南大學頂刊論文：鹼性、酸性條件下都能高效析氫的策略

導讀：本文通過在過渡金屬碳化物（TMC）表面引入吸附的鎳原子（Ni/TMC）來活化TMC (M = V、Fe、Cr和Mo)。在酸性和鹼性溶液中，活化後的Ni/TMC催化劑的HER過電位和塔菲爾斜率都急劇下降。這項工作提供了一個通用普適的方法來激活TMC，使其在不同的溶液條件下具有出高效的HER性能。

為了緩解水汙染、空氣汙染等環境問題，人們投入了大量精力尋找綠色能源來替代化石能源。氫氣因其環境友好、能量密度高，被認為是理想的替代品。為了實現高效的氫氣轉化，發展具有高活性、長穩定性能的析氫反應（HER）電催化劑已迫在眉睫。鉑雖然被認為是目前最優秀的催化劑，但它的普遍應用暫時並不可行。因此，不含貴金屬的高性能催化劑，尤其是在酸性和鹼性溶液中皆具有優異的HER催化性能和穩定性且無需添加粘結劑得到催化劑，是人們普遍關注和研究的熱點。

在眾多由非貴金屬過渡金屬(如Ni、V、Mo、Fe、Cr和W)組成的催化劑中，過渡金屬碳化物（TMCs）自1973年以來因其類鉑行為而廣受關注。這是因為金屬的d軌道與碳的s軌道和p軌道雜化導致TMC中金屬的d軌道變寬，使其具有類似鉑的特徵。在眾多TMCs中，關於的W2C和Mo2C的相關研究最多。然而，研究表明，需要對TMC內部金屬的電子結構進行優化，才能進一步提高TMC的HER活性。另一方面，密度泛函理論(DFT)的計算驗證了功能過渡金屬原子(如Ni、Co、Fe)的引入對富集金屬位上的電子有顯著影響，能夠導致d帶中心位移下降，使H-結合能減弱，從而達到活化TMC的目的。然而，目前仍缺乏一種通用的方法來實現過渡金屬原子活化TMCs。

針對上述問題，湖南大學李軒科教授團隊聯合武漢科技大學和德國錫根大學研究團隊提出了一種通用的活化策略來提高TMC的HER效率，更確切地是通過在TMC表面引入金屬原子作為催化位點來提高TMC的HER效率。該工作以「Ni‐Activated Transition Metal Carbides for Efficient Hydrogen Evolutionin Acidic and Alkaline Solutions」為題，發表在國際著名期刊《Advanced Energy Materials》上。

論文連結：

https://doi.org/10.1002/aenm.202002260

作者以碳化釩(VC)為例，採用覆蓋有石墨烯的鎳泡沫（Ni-GF）作為導電基底和鎳源，利用水熱法和鎂熱反應，將VC生長到Ni-GF表面（Ni-GF/VC）。並且研究了在酸性和鹼性介質中，Ni-GF/VC催化劑的HER性能(如過電位、塔費爾斜率、法拉第效率、循環穩定性)，並與Pt/C催化劑進行了比較。這種通過將吸附的鎳原子引入TMCs表面的激活方式，有效地優化了TMCs的d-電子結構，使活性位點數量顯著增加，增強了TMCs的內在催化活性。石墨烯泡沫的三維結構提供了導電網絡以及TMCs之間的強相互作用，促進了快速電子傳遞過程。這些催化劑的高比表面積暴露出更活躍的產氫位點，並有效地釋放氫氣氣泡。實驗結果表明，在引入鎳吸附原子後，這些無粘結劑的Ni-GF/TMCs在鹼性和酸性介質中都表現出了優越的HER性能，具有極低的過電位和塔菲爾斜率以及優異的析氫穩定性。

綜上所述，作者所提出的策略是普適通用的，在活化TMCs以有效地產生氫氣以及其他催化反應方面具有很大的應用前景。（文：天航）

圖1. Ni-GF/VC催化劑的合成

圖2. Ni-GF/VC催化劑的表徵

圖3. Ni-GF/VC催化劑的形貌表徵

圖4. Ni-GF/VC催化劑的HER性能測試圖

圖5. 在酸性和鹼性介質中Ni活化TMC增強HER的機制

圖6. Ni-GF/TMC催化劑的HER性能測試圖

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