Nature子刊：具有快速水解动力学特性的MoNi4电催化剂用于高效产氢

【引言】

能源危机和环境污染日益受到人们的关注，发展可再生能源来代替化石资源变得尤为迫切。氢分子因其具有高的能量密度而且燃烧产物对环境无污染，作为一种极好的能量载体，是符合未来的全球能源需求的。在众多产氢的方法中，电解水产氢（HER）对未来氢能经济是一种最经济，最有效的途径。为了提高HER的动力学，特别是在碱性溶液中，高活性，高稳定性的电催化剂对于降低HER动力学过电位是非常重要的。贵金属铂在目前产氢技术中占据着主体地位，例如水-碱电解液。但是，铂的不足和昂贵的价格严重地限制了它在电解水领域的大规模应用。而且在商业的水-碱电解液中，铂基电催化剂因其较差的水分解动力学特性而导致较差的产氢活性。

【成果简介】

近日，来自德国德累斯顿工业大学的冯新亮教授等人在Nature Commuications上发文，题为 “Efficient hydrogen production on MoNi₄electrocatalysts with fast water dissociation kinetics” . 研究人员通过控制附在泡沫镍上的NiMoO₄前驱体在退火过程中的镍原子的外部扩散，实现了在MnO₂立方体支撑下的MoNi₄电催化剂能够在泡沫镍上生长（MoNi₄/MoO₂@Ni）。而且MoNi₄电催化剂在1M的氢氧化钾电解液中展现出了0起始电位，在10mA/cm²电流下的过电位为15mV, 塔菲尔斜率为30mV/decade。这个结果完全可以和铂以及那些性能优异的铂基电催化剂相媲美，加之其可大规模制备的方法和优异的催化稳定性，使得MoNi₄电催化剂非常有希望应用于实际水-碱电解液中应用。

【图文导读】

图1 MnO₂立方体支撑下的MoNi₄电催化剂在泡沫镍上合成示意图

比例尺，泡沫镍（Ni foam），20mm (上)和1mm (下)；NiMoO₄/ Ni foam，10mm (上)和2mm(下)； MoNi₄/MoO₂/Ni foam, 20 mm (上) 和1 mm (下)。

图2 MoNi₄/MoO₂@Ni的形貌和化学成分分析

(a-c) MoNi₄/MoO₂@Ni的SEM图。

(d-f) MoNi₄/MoO₂@Ni的TEM图。

(g) MoNi₄电催化剂和MnO₂立方体的相应的元素图谱。

比例尺，(a) 20mm; (b) 1 mm; (c) 100 nm; (d-f) 2 nm; d中插图，11/nm; (g) 20 nm.

图3 不同催化剂的催化活性的比较

(a) MoNi₄/MoO₂@Ni，纯Ni纳米片和MoO₂@Ni的极化曲线。

(b) MoNi₄/MoO₂@Ni，纯Ni纳米片和MoO₂@Ni的塔菲尔曲线。

(c) 与其他性能优异的HER电催化剂的比较。

(d) MoNi₄电催化剂在进行2000次循环伏安前后的极化曲线；插图：MoNi₄电催化剂在不同电流下的长时间稳定性测试：10；100；和200mA/cm².电解液：1M KOH水溶液；扫速：1mVs^_1。

图4 密度泛函理论计算

(a) H₂O吸附自由能，活化的H2O吸附自由能， OH吸附自由能和H吸附自由能的计算。

(b) Volmer 步吸附自由能计算图表。

(c) Tafel 步吸附自由能计算图表。

蓝色球：镍；浅绿色球：钼；红色球：氧。

【总结】

本文报道了一种在MnO₂立方体支撑下能够在泡沫镍或者碳布上生长的MoNi₄电催化剂。因为大幅降低了Volmer步的能量势垒，MoNi₄电催化剂在碱性条件下展现了很高的HER活性，这和铂以及已经报道了的性能优异的铂基电催化剂相媲美。此外，大规模的制备以及出色的催化稳定性使得MoNi₄/MoO₂@Ni在水-碱电解液体系下产氢有着非常好的前景。因此，对MoNi₄电催化剂的探索和认知，研究人员提供了一个在新型产能应用中替代铂催化剂的方向。

文献链接：Efficient hydrogen production on MoNi₄electrocatalysts with fast water dissociation kinetics(Nature communications, 2017, DOI: 10.1038/ncomms15437)

本文由材料人欧洲杯线上买球 学术组Z. Chen供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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