The Innovation | 三元金属氮化物材料Co3Mo3N—— 究竟有多神奇？

导  读

随着社会的快速发展，当今能源短缺和环境问题日趋严重。为此，科学家一直寻求新能源或能源替代品。电化学能源转换技术就是一种潜在的新能源技术，它不仅可以通过各类电化学氧化/还原反应实现化学能到电能的转换，也可以将自然环境中的水、二氧化碳、氮气等转化成氢气、烃类或氨气，实现电能到化学能的转换。目前，电化学反应中普遍使用贵金属作为催化剂，由于其稀缺性和稳定性不足，限制了其适应性和规模化应用。因此，迫切需要探索和开发能够替代贵金属的高效、稳定且廉价的催化剂材料。多功能三元过渡金属氮化物（Co₃Mo₃N）这一独特材料，有望解决当今能源和环境问题。

图1 图文摘要

电催化反应广泛存在于众多清洁能源转换和储存技术中，如燃料电池、金属空气电池、电解水装置等等。在各类催化电化学反应进行的非贵金属催化剂材料中，金属氮化物具有较高的熔点与硬度，优异的耐腐蚀性与化学稳定性，以及较好的电导性能与热导性能。更重要的是：过渡金属氮化物还具备与贵金属相似的独特电子结构，表现出类铂特性，可作为解决高成本、低效率等新能源技术关键瓶颈的新型催化剂材料。迄今为止，还没有单一纯相氮化物同时具有三种（氧还原反应（ORR）、析氢反应（HER）、析氧反应（OER））较高催化性能的相关报道。科学家探索出了一个简单易行的方法，制备出了具有多孔结构的Co₃Mo₃N材料（图2）。研究发现，该材料可同时实现ORR、HER和OER三种反应的高电催化活性，是目前已知的第一款同时具有三功能催化活性的单相金属氮化物催化剂材料（图3）。

图2 Co₃Mo₃N材料的相关表征

图3 Co₃Mo₃N的三种电催化活性测试

杨明辉团队提出了含有双金属氧化活性层（surface oxide-rich activation layer, SOAL）的催化剂设计思路，为深刻理解基于三元氮化物材料进行电催化析氧反应的活性机理指明了方向。通过选择适合的过渡金属氮化物，可在SOAL的形成中引入适合的第二金属（Mo），通过“电子泵”效应，助力活性金属位点（Co）的高析氧活性。如图4所示，在析氧过程中，Co₃Mo₃N在碱性电解液环境下将处于高氧化电位状态，表面会形成无定型的氧化层，该层不仅具有大量的氧元素，Co元素也在OER过程中富集到了表面，自发形成SOAL。该结构不仅提供了多变的价态，还调节了其能带结构，使其更有利于OER的进行。

图4 SOAL的相关表征

Co₃Mo₃N催化剂优异的ORR和HER性能可通过其电子结构进行解释。η-carbide结构的Co₃Mo₃N在费米能级处具有较高的d轨道密度，展示出了金属特性。根据最稳定Co₃Mo₃N(111)晶面上氢气吸附的模拟计算结果可知：Co₃Mo₃N具有更强的给电子能力，进而对ORR和HER过程有利。

可充放电锌空电池的阴极材料需要同时具备ORR（放电过程）与OER（充电过程）活性。而在一个电解水装置中，装置的两极分别需要具有OER与HER活性。因此，如果单一的催化剂材料能具有多功能催化活性，无需生硬的将两种材料进行混合，可大大简化生产流程与工艺，有效降低其生产成本，在实际应用中具有极大竞争力。使得所合成的Co₃Mo₃N材料具有一些潜在应用场所。本研究搭建了一套由Co₃Mo₃N材料为阴极的可充放电锌空电池，以及由该锌空电池驱动的电解水装置：电解水装置的两极（析氢/析氧）均采用相同的Co₃Mo₃N材料作为催化剂。测试发现，Co₃Mo₃N组装的各种器件性能，在一定程度上超过了由商用贵金属基催化剂（Pt/C+RuO₂）组合电极搭建的器件性能（图5）。

图5 锌空电池和电解水性能测试

总结和展望

杨明辉团队发现了可作为三功能（ORR、HER、OER）的单相氮化物催化剂Co₃Mo₃N，发现其具有优异的电催化活性，有望替代贵金属基催化剂得到广泛应用。研究发现，在OER的高氧化电位下会生成富Co的氧化活性层。该结构不仅提供了多变的价态，并且调节了其能带结构，使其有利于OER的进行。本文的工作对具有高活性、高稳定性且价格低廉的双金属氮化物多功能催化剂的设计提供了理论依据，有望在其他电化学相关装置中得到更广泛地应用，解决当今能源短缺和环境污染问题。

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00021-7

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第二卷第二期将发表的Report文章“Co₃Mo₃N - An efficient multifunctional electrocatalyst ” (投稿: 2020-08-01；接收: 2021-01-28；在线刊出: 2021-03-17)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100096

引用格式：Yuan Y., Adimi S., Thomas T et al. 2021. Co₃Mo₃N - An efficient multifunctional electrocatalyst. The Innovation. 2(2),100096.

作者简介

杨明辉，The Inovation期刊青年编委，研究员、博士生导师，先后在英国利物浦大学化学系获得学士、硕士学位，2010年在英国爱丁堡大学化学系获得博士学位。2010 - 2013年在美国康奈尔大学化学系从事新能源材料研究工作。2013年12月以国家海外高层次人才引进计划（青年项目）回到中科院工作，现任中科院宁波材料所固体功能材料研究团队负责人。2014年获得辽宁省百千万工程人才计划（万人层次），2015年获得中国科学院沈阳分院优秀青年科学家，2016年获得浙江省海外高层次人才引进计划支持，2017年获得宁波市领军拔尖人才（第一层次），作为项目负责人获得宁波市3315创新团队B类支持，2019年获得浙江省杰出青年基金支持，同年入选英国皇家化学会会士（Fellow of Royal Society of Chemistry, FRSC）。近五年，主持国家自然基金面上项目（2项）、参与国家重点研发计划项目（1项）、主持中科院STS重点部署子课题项目（1项）。

杨明辉从事固体材料科研工作十余年，主要集中在固体功能材料的设计合成、晶体结构和构效关系研究，以及相关材料在催化和传感器领域的应用研究，并做出系列创新成果。相关工作在 Nature Materials, Nature Chemistry, Angewandte Chemie, Journal of the American Chemical Society 等期刊上发表学术论文208篇（其中通讯作者152篇、第一作者14篇），申请发明专利36项（其中已经授权中国发明专利8项、PCT国际专利1项）。

web：https://myang.nimte.ac.cn/

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