第一作者:Wei Liu, Fan Wang, Kaifa Du
通讯作者:Yuzheng Guo ,Huayi Yin,Dihua Wang
通讯单位:武汉大学
研究内容:
高效的水电解槽受到缺乏低成本和地球丰富的析氢反应(HER)催化剂的限制。本文报道了一种以CO2为原料,通过一步电碳化法制备的独立MoC-Mo2C催化电极。在酸性(256 mV)和碱性(292 mV)电解液中,MoC-Mo2C电极的过电位均为500 mA cm-2,具有优异的HER性能,长期使用寿命超过2400 h (100 d),由于独立的亲水性多孔表面而具有高温性能(70 ℃), 固有的机械强度和自生长MoC(001)-Mo2C(101)异质结在酸性条件下ΔGH*值为-0.13 eV,在碱性条件下水解离能垒为1.15 eV。大电极(3cm x 11.5 cm)的制备表明,该工艺可用于制备结构合理、成分可调、性能良好的各种硬质合金电极。
要点一:
作者在熔融碳酸盐的Mo片上制备了一个独立的MoC-Mo2C异质结催化层,其中二氧化碳被电化学还原为C ,从而与Mo底物反应形成多孔的MoC-Mo2C异质结催化层。与使用惰性衬底的传统方法不同,熔融碳酸盐电解采用活性子参与碳化物层形成沉积,从而确保Mo基底与电解MoC-Mo2C异质结层之间的牢固连接。因此,在 e-step制备的电解MoC-Mo2C异质结层足够坚固,可以在500mAcm−2的高电流密度下生存,持久寿命超过2400h。
要点二:
MoxC的HER活性密切依赖于活性Mo2+和Mo3+的种类,由于它们的电子密度不同,它们呈现出不同的Mo-H键。不同MoC或Mo2C含量的不同HER电极具有不同的Mo3+/Mo2+摩尔比(n3+/2+)。由于Mo3+的优势,在MoC-Mo2C-790电极中形成MoC-Mo2C异质结的电子密度的降低,削弱了Mo-H加速Hads-解吸的强度,从而显著提高了HER的性能。
图3.TOF LSV曲线和DFT计算。a不同电极的TOF LSV曲线。b平衡电位下酸性电解液中HER的ΔGH*图。c在碱性溶液中,MoC、Mo2C和MoC-Mo2C上的水解离相对能量关系图。d HER机制示意图。
图4. 水与电极之间的接触角图像以及电极表面的气泡演化过程。a Mo/C-590电极。b MoC-Mo2C-690电极。cMoC-Mo2C-790电极d Mo2C-890电极。
图5.在高电流密度和高工作温度下工作的大电极的电解和HER性能的放大。a大型MoC-Mo2C-790的图片。B 水与大型MoC-Mo2C电极之间的接触角图像,以及显示电极上H2气泡演化过程的图片。c模拟工业运行条件时的稳定性试验。d-e模拟工业运行条件下进行稳定性试验前后的LSV曲线。f MoC-Mo2C-790电路的LSV曲线。
参考文献
Liu W, Wang X, Wang F, et al. A durable and pH-universal self-standing MoC–Mo2C heterojunction electrode for efficient hydrogen evolution reaction [J]. Nature Communications, 2021, 12:6776.