镍活化过渡金属碳化物用于酸碱性溶液高效析氢学术资讯

来源：X一MOL资讯

环境友好和高热值的氢能被认为是化石能源的理想替代品。为了实现有效的氢转化，开发高效率和长期稳定的电解水析氢反应（HER）催化剂迫在眉睫。目前，Pt被认为是最优的HER催化剂，但昂贵的成本限制了其广泛应用。在众多非贵过渡金属（例如：Ni、V、Mo、Fe、Cr和W）及其化合物中，过渡金属碳化物 (TMCs) 因其具有类似贵金属Pt的电子结构和催化特性而备受关注。但是，TMCs表面的氢结合能（∆GH*）负值较大，Hads脱附受到限制，需要进一步优化其电子结构。

图1. Ni活化TMC的合成示意图。
近日，武汉科技大学李轩科教授课题组在国际顶级期刊Advance Energy Materials (影响因子：25.245) 上发表研究论文，通过引入吸附Ni在TMC表面（M ＝ V，Fe，Cr和Mo）显著增加了催化剂的活性位点数量和本征催化活性。这一普适性的Ni活化策略使得催化剂在酸碱性环境中都表现出优异的电催化性能和稳定性：在10 mA cm-2时，Ni-GF/VC和Ni-GF/Fe3C催化剂在1 M KOH中的过电势分别为128和93 mV，在0.5 M H2SO4中的过电势分别为111和112 mV。即使在150 mA cm-2时，它们在碱性溶液中的过电势也分别低至270和291 mV, 可以媲美Pt/C催化剂。通过密度泛函理论计算和X射线吸收精细结构分析，这种Ni原子以团簇的形式吸附于TMC的C位点，有效地优化了TMC的d带电子结构、显著降低了Volmer和Heyrovsky过程的能垒。

图2. Ni-GF/VC的XRD、XPS、XAFS表征。

图3. Ni-GF/VC的DFT计算结果。
论文第一作者为湖南大学博士研究生杨晨帆，通讯作者为武汉科技大学李轩科教授、德国锡根大学杨年俊博士和武汉科技大学张琴副教授。

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