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北京科技大學(xué)Nano Energy：構(gòu)建MoO2/Ni3S2異質(zhì)結(jié)界面，增強(qiáng)堿性HER活性

氫氣作為一種清潔的可再生能源，被廣泛認(rèn)為是未來燃料來源的主要候選著之一。利用可再生電力驅(qū)動(dòng)的電化學(xué)水分解技術(shù)顯示出作為可持續(xù)制氫方法的巨大潛力。在工業(yè)環(huán)境中，堿性水電解能夠克服對(duì)昂貴的質(zhì)子交換膜的需求，并增強(qiáng)陽極上發(fā)生的析氧反應(yīng)(OER)的緩慢的動(dòng)力學(xué)，同時(shí)提高金屬基催化劑的耐久性。

然而，由于堿性水電解需要額外的水分子解離反應(yīng)，堿性HER的轉(zhuǎn)換效率相對(duì)于酸性電解質(zhì)較低，這不可避免地增加了HER的活化能壘。鉑(Pt)基催化劑在酸性介質(zhì)中被認(rèn)為是最有效的HER電催化劑，但由于其緩慢的水解離能力，在堿性電解質(zhì)中工作時(shí)，其轉(zhuǎn)化效率會(huì)降低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，開發(fā)穩(wěn)定、高產(chǎn)的堿性HER電催化劑是降低過電位、提高水電解過程整體能效的有效途徑。

近日，北京科技大學(xué)單艾嫻和王榮明等通過一步水熱反應(yīng)在泡沫鎳上制備了自支撐的MoO₂納米球修飾的Ni₃S₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米棒陣列(MoO₂/Ni₃S₂/NF)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MoO₂納米球和Ni₃S₂納米棒形成的獨(dú)特異質(zhì)界面極大地提高了HER活性，使得MoO₂/Ni₃S₂/NF電極在堿性介質(zhì)中表現(xiàn)出74.0 mV的小過電位(10 mA cm^?2)和85.2 mV dec^?1的Tafel斜率。

本研究采用泡沫鎳作為載體，不僅可以有效緩解催化劑粉末脫落問題，從而提升系統(tǒng)的整體性能，而且其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)電荷的快速轉(zhuǎn)移，顯著提高其比表面積，從而提升催化性能。因此，該催化劑在長時(shí)間析氫過程中表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性。

更重要的是，MoO₂/Ni₃S₂異質(zhì)結(jié)內(nèi)部強(qiáng)烈的電子耦合效應(yīng)通過局域電子重構(gòu)改變了異質(zhì)界面的電子結(jié)構(gòu)，有助于高效電子轉(zhuǎn)移到活性位點(diǎn)，優(yōu)化了反應(yīng)中間體的結(jié)合能，賦予MoO₂/Ni₃S₂催化劑良好的電催化HER活性。

此外，理論計(jì)算結(jié)果表明，MoO₂/Ni₃S₂異質(zhì)界面可以很好地降低水的解離勢(shì)壘，優(yōu)化H在電催化劑表面的吸附能力從而提高反應(yīng)動(dòng)力學(xué)?？偟膩碚f，該項(xiàng)工作為制備堿性環(huán)境下高效穩(wěn)定的HER催化劑提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的界面工程策略。

Enhanced alkaline hydrogen evolution reaction of MoO₂/Ni₃S₂ nanorod arrays by interface engineering. Nano Energy, 2024. DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.109299

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