Nature子刊：具有快速水解動力學特性的MoNi4電催化劑用於高效產氫

【引言】

能源危機和環境污染日益受到人們的關注，發展可再生能源來代替化石資源變得尤為迫切。氫分子因其具有高的能量密度而且燃燒產物對環境無污染，作為一種極好的能量載體，是符合未來的全球能源需求的。在眾多產氫的方法中，電解水產氫（HER）對未來氫能經濟是一種最經濟，最有效的途徑。為了提高HER的動力學，特別是在鹼性溶液中，高活性，高穩定性的電催化劑對於降低HER動力學過電位是非常重要的。貴金屬鉑在目前產氫技術中佔據著主體地位，例如水-鹼電解液。但是，鉑的不足和昂貴的價格嚴重地限制了它在電解水領域的大規模應用。而且在商業的水-鹼電解液中，鉑基電催化劑因其較差的水分解動力學特性而導致較差的產氫活性。

【成果簡介】

近日，來自德國德累斯頓工業大學的馮新亮教授等人在Nature Commuications上發文，題為 「Efficient hydrogen production on MoNi4electrocatalysts with fast water dissociation kinetics」 . 研究人員通過控制附在泡沫鎳上的NiMoO4前驅體在退火過程中的鎳原子的外部擴散，實現了在MoO2立方體支撐下的MoNi4電催化劑能夠在泡沫鎳上生長（MoNi4/MoO2@Ni）。而且MoNi4電催化劑在1M的氫氧化鉀電解液中展現出了0起始電位，在10mA/cm2電流下的過電位為15mV, 塔菲爾斜率為30mV/decade。這個結果完全可以和鉑以及那些性能優異的鉑基電催化劑相媲美，加之其可大規模製備的方法和優異的催化穩定性，使得MoNi4電催化劑非常有希望應用於實際水-鹼電解液中應用。

【圖文導讀】

圖1 MoO2立方體支撐下的MoNi4電催化劑在泡沫鎳上合成示意圖

比例尺，泡沫鎳（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)。

圖2 MoNi4/MoO2@Ni的形貌和化學成分分析

(a-c) MoNi4/MoO2@Ni的SEM圖。

(d-f) MoNi4/MoO2@Ni的TEM圖。

(g) MoNi4電催化劑和MoO2立方體的相應的元素圖譜。

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

圖3 不同催化劑的催化活性的比較

(a) MoNi4/MoO2@Ni，純Ni納米片和MoO2@Ni的極化曲線。

(b) MoNi4/MoO2@Ni，純Ni納米片和MoO2@Ni的塔菲爾曲線。

(c) 與其他性能優異的HER電催化劑的比較。

(d) MoNi4電催化劑在進行2000次循環伏安前後的極化曲線；插圖：MoNi4電催化劑在不同電流下的長時間穩定性測試：10；100；和200mA/cm2.電解液：1M KOH水溶液；掃速：1mVs-1。

圖4 密度泛函理論計算

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

(b) Volmer 步吸附自由能計算圖表。

(c) Tafel 步吸附自由能計算圖表。

藍色球：鎳；淺綠色球：鉬；紅色球：氧。

【總結】

本文報道了一種在MoO2立方體支撐下能夠在泡沫鎳或者碳布上生長的MoNi4電催化劑。因為大幅降低了Volmer步的能量勢壘，MoNi4電催化劑在鹼性條件下展現了很高的HER活性，這和鉑以及已經報道了的性能優異的鉑基電催化劑相媲美。此外，大規模的製備以及出色的催化穩定性使得MoNi4/MoO2@Ni在水-鹼電解液體系下產氫有著非常好的前景。因此，對MoNi4電催化劑的探索和認知，研究人員提供了一個在新型產能應用中替代鉑催化劑的方向。

文獻鏈接：Efficient hydrogen production on MoNi4 electrocatalysts with fast water dissociation kinetics (Nature communications, 2017, DOI: 10.1038/ncomms15437)（見下方「閱讀原文」）

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