電子科大Applied Catalysis B：界面功函數匹配調控WC基核殼納米線作為全pH范圍HER催化劑

【引言】

隨著人們對化石燃料燃燒引起的環境問題的日益關注，找尋一種綠色的可持續能源替代傳統化石燃料備受關注。氫氣（H₂）作為一種綠色能源，被認為是傳統化石燃料的理想替代選擇。電解水制氫反應（HER）是生產高純度氫氣的一種經濟有效的方法。然而，工業催化劑 Pt的高價格，低電流密度和低效率阻礙了電解水制氫的實際應用。因此，探尋廉價高性能和高穩定性的電催化劑受到廣泛的關注。WC基材料因其成本效益，Femi級附近的類似Pt的電子分布以及廣泛的pH兼容性而成為有前途的Pt替代品。此外，WC基材料具有牢固的W-H鍵而顯示出快速的動力學，因此具有較為出色的HER性能。考慮到WC基材料的優點，在其用作HER的電催化劑方面進行了廣泛的研究。

【成果簡介】

近日，電子科技大學材料與能源學院胡文成教授、牛曉濱教授和賓夕法尼亞州立大學的Sridhar Komarneni教授（共同通訊作者）等人通過化學氧化法，電化學還原法和磁控濺射法制備了一種具有核殼結構的Cu@WC介孔納米線用于寬pH范圍電催化析氫反應。該研究通過優化磁控濺射時間來制備具有最佳性能的電催化材料。以酸性為例，催化析氫反應在10 和100 mA cm^-2時僅需92和186 mV的較低電勢，通過第一性原理計算，從理論角度揭示了具有核殼間的晶格失配、界面效應等對HER性能的影響。

【圖文導讀】

圖一Cu@WC的合成路徑

圖二Cu@WC的材料結構表征

(a) Cu@WC的XRD圖譜，內部為放大圖

(b) W 4f (c) C 1s (d) Cu 2p的XPS光譜

(e) 多種材料的N₂吸附解析圖 (f)孔徑分布圖

圖三Cu@WC的微觀形貌表征

(a-b) Cu@WC的SEM圖 (c-d) TEM圖 (e-f) HRTEM圖 (g) SAED圖

(h)HAADF-STEM 圖 (i) EDS線掃圖 (j) elemental mapping圖

圖四Cu@WC的HER性能表征

(a-c) Cu@WC酸性HER 性能

(d-f) Cu@WC寬pH范圍HER性能

(g-i) Cu@WC寬pH范圍電化學活性面積

圖五Cu@WC的HER穩定性表征

(a) Cu@WC的寬pH范圍穩定性測試

(b) W 4f (c) C 1s (d) Cu 2p的酸性穩定測試后的XPS光譜

圖六Cu@WC的HER理論計算

(a)Cu@WC模型圖?? (b) 差分電荷圖

(c)吉布斯自由能圖 (d) 火山圖

圖七Cu@WC界面對HER性能的影響

(a-b)酸性PEIS測試圖

(c)DOS圖 (d) ELF圖

(e-f)Cu@WC的功函數與費米能級圖

【總結】

本研究成功研發了一種高效的Cu@WC自支撐核殼納米線電催化劑。該工作具有合成簡單快速，成本低的優點。通過多種實驗發現，該催化劑在寬pH范圍內具有出色的HER性能，同時兼顧出色的穩定性。通過DFT實驗發現，由于銅核和碳化鎢殼晶格常數的差異導致的晶格失配略微改變了碳化鎢的原子電子結構，進一步降低了質子與碳化鎢表面成鍵的自由能，提高了Cu@WC核殼結構表面的催化活性。Cu@WC界面處的電子顯示出了高度離域的金屬鍵特性，同時，銅核的引入提高了體系費米能級附近的態密度，提高了體系的導電性能并且能夠為HER反應提供更高的載流子濃度。此外，可以發現在常見的高導電金屬中，銅的功函數和碳化鎢最為接近。銅和碳化鎢殼相近的功函數能夠維持碳化鎢殼表面較高的表面電子水平，保證碳化鎢殼表面的類鉑電子結構不會被金屬-金屬接觸所導致的電子轉移大幅改變。和其他的常見導電金屬相比，Cu具有價格低，導電性出色（僅次于Ag）和耐酸耐堿（可用于全pH電催化）的特點。換句話說，Cu和WC結合可能最大化激發WC的催化活性。

該成果發表在國際著名期刊Applied Catalysis B: Environmental上，電子科技大學博士研究生姚夢麒和汪博筠為論文共同第一作者，電子科技大學胡文成教授、牛曉濱教授以及賓夕法尼亞州立大學的Sridhar Komarneni教授為共同通訊作者，王妮副研究員，王建偉副研究員，博士研究生陳云建、孫寶龍，碩士研究生羅林霏參與本項工作研究。該工作獲得國家自然科學基金、國家重點基礎研究發展規劃項目、四川省科技廳等項目的支持。

論文DOI：10.1016/j.apcatb.2020.119451

文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337320308663

本文由電子科技大學材料與能源學院供稿。