中科院福建物構所＆南方科技大學Adv. Funct. Mater.：構造鉬基納米線陣列用于pH通用型電催化析氫

【引言】

鉬（Mo）是一種地球儲量豐富的過渡金屬元素，其具有豐富的氧化還原化學特性，而且鉬基化合物（如MoP、MoS₂、MoN、MoO₂和Mo₂C）已被廣泛應用于晶體管、光探測器、超級電容器、鋰/鈉離子電池、光催化劑和電催化劑等領域。特別地，鉬基化合物已被發現對廣泛pH介質中的析氫反應具有高的本征催化活性及穩定性，而發展具有pH普適性的電催化劑是非常有必要的。迄今為止，為提高鉬基電催化劑的HER性能已經做了大量的工作，如晶相工程、表/界面工程、摻雜和納米碳復合等以用于增加表面活性位點密度和提高單個活性位點的本征活性。然而，這些鉬基催化劑的表觀HER活性仍然較低，可能由于其納米結構化方面的不足，導致其活性位點暴露較少、電荷傳遞與質量傳輸不良等。
納米結構工程在通過調節形狀、尺寸、形貌、異質結構和特定原子平面的暴露來調整材料的性能和改善功能系統的性質方面扮演著至關重要的角色。在各種納米結構中，具有高縱橫比的納米線陣列（NWAs）不僅擁有大的比表面積和足夠的間隙空間，因而能夠有效地暴露材料表面的活性位點，而且其特殊組織結構賦予的超疏氣表面能夠加速釋放從電極表面所產生的氣泡，從而提高氣體析出催化反應中的質量輸運效率。此外, NWAs直接生長在導電基底上構筑自支撐的催化劑電極能夠保證催化劑與基底之間的良好的電接觸及力學穩定性，同時避免了繁雜的催化劑電極制備工序

【成果簡介】

近日，中科院福建物質結構研究所王瑞虎研究員和南方科技大學梁永曄教授（共同通訊作者）等人合作采用一種簡易的方法在多孔碳纖維紙（CFP）上合成各種MoX_n NWAs，其中MoX_n包括MoP、MoS₂、Mo₂C、MoN和MoO₂。研究表明這些MoXn納米線由緊密相連的納米顆粒或邊緣豐富的納米片組成，當這些納米線被制作成自支撐的電極時，這些MoX_n NWAs/CFP對廣泛pH介質中的析氫反應（HER）均表現出優異的催化活性和穩定性。特別地，性能最優的MoP NWAs/CFP顯示出與鉑片電極相當甚至更優的HER性能，這在與HER相關的能源技術中具有極大的應用前景。該研究成果以“General Construction of Molybdenum-Based NanowireArrays for pH-Universal Hydrogen Evolution Electrocatalysis”為題發表于著名材料期刊Adv. Funct. Mater.。

【圖文導讀】

圖一 合成MoX_n NWAs/CFP的示意圖

（Ⅰ）通過溶劑熱反應在CFP上合成含Mo前驅體的NWAs
（Ⅱ）在不同的氣氛下，通過含Mo前驅體的NWAs/CFP的拓撲轉化形成MoX_n NWAs

圖二 合成樣品的SEM和TEM表征

（a，b）MoP NWAs/CFP的SEM圖像
（e，f）MoS₂ NWAs/CFP的SEM圖像
（c，d）MoP納米線的TEM圖像
（g，h）MoS₂納米線的TEM圖像
（c）中的白色箭頭表示納米孔

圖三 合成樣品的TEM表征

（a，b）MoO₂納米線的TEM圖像
（c，d）MoN納米線的TEM圖像
（e，f）Mo₂C納米線的TEM圖像

圖四 樣品的極化曲線

（a、c、e）分別表示0.5 M H₂SO₄、1 M PBS和1 M KOH中MoX_n NWAs/CFP和Pt平板電極的極化曲線
（b、d、f）從相應的極化曲線中計算的Tafel圖

圖五 不同pH介質中MoP NWAs/CFP對HER的催化耐久性

（a）5000 ADTCV循環前后記錄的手工iR矯正極化曲線
（b）在j=-10 mA cm^-2時的計時電位曲線

【小結】

本文為了在CFP導電基底上直接合成MoX_n NWAs，開發了一種簡易的合成策略，即采用溶劑熱反應與后續的拓撲轉變相耦合的方式。對于HER電催化劑的經典應用，自支撐的MoP NWAs/CFP表現出類似Pt的活性，并且在廣泛pH介質中也具有極高的穩定性，而這些優異的性質均來源于MoP高的本征活性以及NWAs結構獨特的優勢，其可為反應提供大量的活性位點、高效的電荷遷移與良好的質量輸運。在這項工作中所開發的通用策略代表了設計合成Mo基納米陣列結構的一個里程碑，這種獨特的材料原型也將應用于除HER催化劑以外的其他領域。

文獻連接：General Construction of Molybdenum‐Based Nanowire Arrays for pH‐Universal Hydrogen Evolution Electrocatalysis（Adv. Funct. Mater., 2018, DOI:10.1002/adfm.201804600）

本文由材料人編輯部計算材料組杜成江編譯供稿，材料牛整理編輯。

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