由于日益增長的能源需求和相關(guān)的環(huán)境挑戰(zhàn)，科學家們正在尋找可持續(xù)的、清潔的和高效的能源，以取代日益枯竭的化石燃料。氫氣由于具有高能量和無二氧化碳排放的特點，被認為是一種很好的替代能源。目前，一種高效的產(chǎn)氫方法是利用電解水的析氫反應(yīng)(HER)，但是目前性能最為優(yōu)異的HER催化劑是成本高且稀有Pt基催化劑，因此開發(fā)穩(wěn)定、高效的非貴金屬電催化劑(如金屬磷化物、硫化物和碳化物)是非常重要的。

基于此，濟南大學侯林瑞、原長洲和山東石油化工學院Deng Jianlin等人采用二元NaCl-KCl熔鹽(MS)策略，設(shè)計并制備了β-Mo₂C空心納米管(HNT)和N摻雜碳納米片(NCNS)組成的三明治復合結(jié)構(gòu)催化劑(MS-Mo₂C@NCNS)，該催化劑不負眾望的展現(xiàn)出了優(yōu)異的HER性能。

本文首先通過線性掃描伏安(LSV)曲線，在N₂飽和的KOH溶液(1 M)中利用典型的三電極體系來研究MS-Mo₂C@NCNS的HER電催化性能，并與NMS-Mo₂C@NCNS和Pt/C進行比較。具體來說，MS-Mo₂C@NCNS只需要約98 mV的過電位就可以達到10 mA cm^-2的電流密度，這大大小于NMS-Mo₂C@NCNS(≈188 mV)，并與商業(yè)Pt/C(≈16 mV)相當。

更重要的是，與其他鉬基催化劑相比，MS-Mo₂C@NCNS的HER催化性能也非常具有競爭力。之后，本文通過LSV曲線獲得了催化劑的Tafel斜率，可以更加全面的描述催化劑的HER動力學。擬合曲線后可以發(fā)現(xiàn)，MS-Mo₂C@NCNS催化劑的Tafel斜率約為99 mV dec^-1，雖然略大于Pt/C催化劑(≈58 mV dec^-1)，但顯著小于NMS-Mo₂C@NCNS催化劑(≈140 mV dec^-1)，因此MS-Mo₂C@NCNS的HER機制為Volmer-Heyrovsky機制。

與基于Mo₂C的催化劑相比，MS-Mo₂C@NCNS的過電位和Tafel斜率更加適中，顯示出其具有最佳的HER性能，可以與商業(yè)Pt/C競爭。

為了更加深入地理解MS-Mo₂C@NCNS-900的HER性能優(yōu)越的潛在原因，本文基于構(gòu)建的結(jié)構(gòu)模型進行了密度泛函理論(DFT)計算。與塊體Mo₂C相比，MS-Mo₂C@NCNS中的Mo₂C的Mo-Mo和C-Mo鍵長較短，這反映了MS-Mo₂C@NCNS的Mo₂C中的原子之間具有強烈的相互作用。此外，NCNS中Mo和C原子之間的距離估計為2.24-2.35 ?，表明Mo₂C與NCNS結(jié)構(gòu)之間存在較強的相互作用。

值得注意的是，由于引入了Mo₂C，MS-Mo2C@NCNS比NCNS在費米能級附近具有更高的電子密度，這表明催化劑的電導率被顯著提高，這也十分有助于在電催化過程中加速電子的轉(zhuǎn)移，進而增強MS-Mo₂C@NCNS的HER活性。ΔG_H*作為評價催化劑HER性能的重要參數(shù)，在本文中也得到了重視。

計算結(jié)果表明，MS-Mo₂C@NCNS的ΔG_H*值(-0.315 eV)比Mo₂C(-0.835 eV)和NCNS(-2.456 eV)更接近于零，這是MS-Mo₂C@NCNS的HER性能優(yōu)異的重要原因。而MS-Mo₂C@NCNS具有接近于零的ΔG_H*是由于NCNS與Mo₂C的相互作用，Mo原子的電子減少，也就是說Mo原子的負電荷更少，使得ΔG_H*更弱。

因此，NCNS和Mo₂C的相互作用降低了催化劑的HER起始電位，并增強了MS-Mo₂C@NCNS的本征催化活性?？傊?，本文的工作提供了一個新穎和可行的方法，在降低催化劑成本的同時還提高了催化劑的HER速率，為未來的研究提供了一定的思路。

Binary Molten Salt in Situ Synthesis of Sandwich-Structure Hybrids of Hollow β-Mo₂C Nanotubes and N-Doped Carbon Nanosheets for Hydrogen Evolution Reaction, Carbon Energy, 2023, DOI: 10.1002/cey2.349.

https://doi.org/10.1002/cey2.349.