Nature子刊：具有快速水解動力學特性的MoNi4電催化劑用于高效產氫

【引言】

能源危機和環境污染日益受到人們的關注，發展可再生能源來代替化石資源變得尤為迫切。氫分子因其具有高的能量密度而且燃燒產物對環境無污染，作為一種極好的能量載體，是符合未來的全球能源需求的。在眾多產氫的方法中，電解水產氫（HER）對未來氫能經濟是一種最經濟，最有效的途徑。為了提高HER的動力學，特別是在堿性溶液中，高活性，高穩定性的電催化劑對于降低HER動力學過電位是非常重要的。貴金屬鉑在目前產氫技術中占據著主體地位，例如水-堿電解液。但是，鉑的不足和昂貴的價格嚴重地限制了它在電解水領域的大規模應用。而且在商業的水-堿電解液中，鉑基電催化劑因其較差的水分解動力學特性而導致較差的產氫活性。

【成果簡介】

近日，來自德國德累斯頓工業大學的馮新亮教授等人在Nature Commuications上發文，題為 “Efficient hydrogen production on MoNi₄ electrocatalysts with fast water dissociation kinetics” . 研究人員通過控制附在泡沫鎳上的NiMoO₄前驅體在退火過程中的鎳原子的外部擴散，實現了在MnO₂立方體支撐下的MoNi₄電催化劑能夠在泡沫鎳上生長（MoNi₄/MoO₂@Ni）。而且MoNi₄電催化劑在1M的氫氧化鉀電解液中展現出了0起始電位，在10mA/cm²電流下的過電位為15mV, 塔菲爾斜率為30mV/decade。這個結果完全可以和鉑以及那些性能優異的鉑基電催化劑相媲美，加之其可大規模制備的方法和優異的催化穩定性，使得MoNi₄電催化劑非常有希望應用于實際水-堿電解液中應用。

?【圖文導讀】

圖1 MnO₂立方體支撐下的MoNi₄電催化劑在泡沫鎳上合成示意圖

比例尺，泡沫鎳（Ni foam），20mm (上)和1mm (下)；NiMoO₄/ Ni foam，10mm (上)和2mm(下)； MoNi₄/MoO₂/Ni foam, 20 mm (上) 和1 mm (下)。

圖2 MoNi₄/MoO₂@Ni的形貌和化學成分分析

(a-c) MoNi₄/MoO₂@Ni的SEM圖。

(d-f) MoNi₄/MoO₂@Ni的TEM圖。

(g) MoNi₄電催化劑和MnO₂立方體的相應的元素圖譜。

比例尺，(a) 20mm; (b) 1 mm; (c) 100 nm; (d-f) 2 nm; d中插圖，11/nm; (g) 20 nm.

圖3 不同催化劑的催化活性的比較

(a) MoNi₄/MoO₂@Ni，純Ni納米片和MoO₂@Ni的極化曲線。

(b) MoNi₄/MoO₂@Ni，純Ni納米片和MoO₂@Ni的塔菲爾曲線。

(c) 與其他性能優異的HER電催化劑的比較。

(d) MoNi₄電催化劑在進行2000次循環伏安前后的極化曲線；插圖：MoNi₄電催化劑在不同電流下的長時間穩定性測試：10；100；和200mA/cm².電解液：1M KOH水溶液；掃速：1mVs^_1。

圖4 密度泛函理論計算

(a) H₂O吸附自由能，活化的H2O吸附自由能， OH吸附自由能和H吸附自由能的計算。

(b) Volmer 步吸附自由能計算圖表。

(c) Tafel 步吸附自由能計算圖表。

藍色球：鎳；淺綠色球：鉬；紅色球：氧。

【總結】

本文報道了一種在MnO₂立方體支撐下能夠在泡沫鎳或者碳布上生長的MoNi₄電催化劑。因為大幅降低了Volmer步的能量勢壘，MoNi₄電催化劑在堿性條件下展現了很高的HER活性，這和鉑以及已經報道了的性能優異的鉑基電催化劑相媲美。此外，大規模的制備以及出色的催化穩定性使得MoNi₄/MoO₂@Ni在水-堿電解液體系下產氫有著非常好的前景。因此，對MoNi₄電催化劑的探索和認知，研究人員提供了一個在新型產能應用中替代鉑催化劑的方向。

文獻鏈接：Efficient hydrogen production on MoNi₄ electrocatalysts with fast water dissociation kinetics (Nature communications, 2017, DOI: 10.1038/ncomms15437)

本文由材料人新能源學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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