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苏州纳米所「国家级青年人才」，新发Nature子刊！

微算云平台 · 公众号 · · 2025-01-10 07:31

正文

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研究背景

氢能作为一种可持续的能源载体，因其在满足全球碳中和目标方面的巨大潜力，近年来受到广泛关注。碱性氢气析出反应（HER）作为将间歇性的电力（如水电、太阳能和风能）转化为绿色氢分子的经济可行途径，在工业规模的氢气生产中具有重要应用前景。然而，碱性HER过程高度依赖pH值，且由于碱性电解质中质子活性较低，该反应的动力学在碱性环境中通常不利，导致碱性HER活性比酸性环境低两个到三个数量级。因此，探索低成本且高效的催化剂成为提升碱性水电解氢气生产效率的关键问题。

近年来，过渡金属碳化物（如Mo和W）被认为是替代贵金属铂催化剂的有前景材料。由于金属碳化物的内嵌碳原子使得其金属具有与铂相似的d带电子结构，从而改善了氢的吸附行为，提高了催化性能。然而，过渡金属碳化物在碱性电解质中的催化活性仍然远低于理论预期，尤其是其表面氧化物终止层的存在和在碱性环境中的溶解问题，极大地限制了其应用。

成果简介

为解决这一问题， 中国科学院苏州纳米所崔义教授 团队在Nature Communications期刊上发表了题为“Termination-acidity tailoring of molybdenum carbides for alkaline hydrogen evolution reaction”的最新论文。

该团队通过设计并制备了以铝掺杂钼氧化物（Al-MoO ₂ ）终止的钼碳化物（Mo ₂ C）催化剂，并通过表面科学技术验证其在碱性环境中的性能。研究结果表明，Al3+掺杂的MoO ₂ 层显著改善了钼碳化物催化剂的结构稳定性，并在碱性氢气析出反应中表现出优异的催化性能。通过优化的形貌和光谱表征，研究人员发现Al-MoO ₂ @Mo ₂ C催化剂表面形成的-Al-OH-Mo-结构作为强布朗斯特酸位点，加速了碱性HER反应中的去质子化过程，显著提高了氢气析出反应的活性。

该团队利用先进的计算和表征手段，进一步揭示了钼碳化物催化剂在碱性电解质中所表现出的优异稳定性和高效性能。 实验结果表明，该催化剂在10 mA/cm²电流密度下具有接近零的起始电位、低过电位（40 mV）以及小的塔菲尔斜率（45 mV/dec），并在200小时的连续氢气生产中表现出几乎无降解的稳定性。这一研究为高效且低成本的催化剂设计提供了新思路，尤其是在水电解和其他能源转化领域的应用中具有重要意义。

研究亮点

（1）实验首次提出通过在钼碳化物表面引入Al3+原子修饰氧化钼终止层的方式，提升其在碱性电解质中的氢气析出反应（HER）性能。 研究通过表面科学技术构建了具有Al-MoO ₂ @Mo ₂ C结构的模型催化剂，验证了这一修饰策略的可行性。

（2）实验通过一系列形貌、光谱及DFT计算对AlP-MoO ₂ @Mo ₂ C催化剂进行了系统表征，得到了以下结果：

1) Al-MoO ₂ @Mo ₂ C模型催化剂在碱性条件下表现出近零的起始电位（onset potential）和低过电位（40 mV），以及小的塔菲尔斜率（45 mV/dec），显著优于以往的过渡金属碳化物和其他先进催化剂。

2) 该催化剂在10 mA/cm²的电流密度下具有超过200小时的稳定性，表明其在长期氢气生产过程中的应用潜力。

3) 高分辨率的形貌和光谱表征揭示，Al3+引入的Al-OH-Mo结构在Al-MoO ₂ 层内形成了强布朗斯特酸位点，这些酸位点有助于加速碱性氢气析出反应中的去质子化动力学。

4) 通过密度泛函理论（DFT）计算，进一步预测了该催化剂在碱性环境中的氢气析出反应活性，验证了其优异的催化性能。

图文解读

图 1：用于碱性氢气析出反应的 Al-MoO ₂ @Mo ₂ C 模型催化剂。

图 2：AlP-MoO ₂ @Mo ₂ C 材料的组成和形貌表征。

图 3：AlP-MoO ₂ @Mo ₂ C 催化剂在 1.0 M KOH 电解质中的氢气析出反应性能评估（pH = 14 ± 0.1，Rs = 3.4 ± 0.3，质量负载 = 2.83 mg/cm²，室温 = 298 K）。

图 4：揭示 Al-MoO ₂ @Mo ₂ C 材料结构稳健性的来源。

图 5：多重高分辨率光谱表征推进了对 AlP-MoO ₂ @Mo ₂ C 催化剂增强碱性氢气析出反应活性的理解。

图 6：通过密度泛函理论（DFT）计算预测 AlP-MoO ₂ @Mo ₂ C 催化剂模型的碱性氢气析出反应活性。

结论展望

苏州纳米所「国家级青年人才」，新发Nature子刊！

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