许冠南&邵宗平&许冠山Carbon Energy：有序大孔Mo2C/NC-Ru的多异质结结构协同促进高效的碱性氢析出基元反应

01.研究背景

过度使用化石燃料导致的气候变化促使人们探索新的碳中和可再生能源。氢能作为化石能源替代品之一，因其高能量密度、可持续性和清洁性而备受关注。使用可再生能源（如太阳能和风能）电解水产氢为大规模制氢提供了一种有力途径。与酸性水分解技术相比，碱性水分解技术可以减少电解液对金属基电极材料的损害，并且由于碱性工作环境较温和，可以增加可用电催化剂的种类。因此，对碱性电解槽的研究已成为能量转换领域的热点。到目前为止，铂基材料由于其较高活性仍然是碱性电解液电催化析氢反应（HER）的基准催化剂。然而，其稀缺性和高昂的价格严重阻碍了它们的广泛应用。为了降低成本，设计在碱性介质中具有可比拟活性的无铂催化剂势在必行。

02.成果简介

澳门大学许冠南课题组, 东英吉利大学许冠山课题组和南京工业大学邵宗平课题组合作，通过合理设计一种多级孔多异质结的三维有序大孔Mo₂C/NC并在其表面锚定超小Ru纳米团簇（OMS Mo₂C/NC-Ru），实现了催化剂的电子和形貌工程调控，最大限度提高了电催化析氢性能。形成的Ru-NC异质结构显示出更优的电子结构和对中间体H*的吸附能，而Mo₂C-NC异质结构由于其更强的水解离能力而加速了Volmer反应。因此，在1M KOH电解液中，OMS Mo₂C/NC-Ru 表现出优异的HER性能，在10mA/cm²的电流密度下过电势为15.5 mV，塔菲尔斜率为22.7 mV/dec，优于20% Pt/C，其质量活性更比Pt/C高出17倍以上。OMS Mo₂C/NC-Ru独特的结构赋予了其增强的物质传输能力和良好的气体释放过程，实现了优异的HER性能。

相关工作以题为“Synergistically boosting the elementary reactions over multiheterogeneous ordered macroporous Mo₂C/NC-Ru for highly efficient alkaline hydrogen evolution”发表在Carbon Energy。

03.本文亮点

1.合成方法简便，所得样品为多级孔多异质结的大孔结构，其结构有利于物质的传输和产生气体的扩散和释放。

2.协同作用增强HER性能，其多异质结结构中Ru-NC异质结展现出更优的电子结构和对中间体H*的吸附能，促进Tafel反应过程，Mo₂C-NC异质结由于其更强的水解离能力而加速了Volmer反应，从而加速整个碱性HER过程。

3. OMS Mo₂C/NC-Ru 表现出优异的HER性能。

04.图文解析

1.两步法，首先通过热解(NH₄)₆Mo₇O₂₄@PS的来获得有序大孔结构的OMS Mo₂C/NC，随后在OMS Mo₂C/NC表面生长Ru团簇以构建OMS Mo₂C/NC-Ru。

2. XRD证实了金属Mo₂C的生成。通过SEM和TEM可以看到有序大孔构成的多级孔结构，高分辨TEM和mapping证实了Ru纳米团簇的存在。

3. OMS Mo2C/NC-Ru具有最佳的HER活性和稳定性。

4.DFT计算证实了Ru-NC和Mo₂C-NC异质结的各自优势，从而协同促进整个碱性HER过程。将OMS Mo₂C/NC-Ru氧化可得到OMS MoO₃-RuO₂，该催化剂也可以用作高效的析氧催化剂，因此能够构建用于全解水的准对称电解槽，其性能超过了Pt/C||RuO₂电解槽。

相关论文信息

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论文标题：

Synergistically boosting the elementary reactions over multiheterogeneous ordered macroporous Mo₂C/NC-Ru for highly efficient alkaline hydrogen evolution

论文网址：

https://doi.org/10.1002/cey2.188

DOI:10.1002/cey2.188

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