第一作者：趙展

通訊作者：孟祥超教授

通訊單位：中國海洋大學

論文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51976-5

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過渡金屬Mo基合金因其可調(diào)的化學組成、電子結(jié)構(gòu)以及高度的穩(wěn)定性，被廣泛研究并用作析氫電催化劑。通常，在合成過程中，高溫（> 1300 K）能夠促進合金的形成，為原子分散提供活化能，但也容易引起熱力學驅(qū)動的原子聚集，進而影響電化學活性與穩(wěn)定性?；诖?，中國海洋大學孟祥超教授課題組提出了利用快速焦耳加熱技術(shù)精確誘導RuMo合金的形成，實現(xiàn)了RuMo納米合金在MoO2基底的高分散性構(gòu)筑，從而合成高活性、高穩(wěn)定性的合金電催化劑。

背景介紹

氫能作為一種低碳高效的清潔能源，在全球能源轉(zhuǎn)型和應對氣候變化方面扮演重要角色。按照制氫的三種方法，氫能分為灰氫、藍氫、綠氫。其中，以可再生能源電解水制氫為代表的綠氫在生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生溫室氣體，被廣泛視為實現(xiàn)碳中和目標的重要路徑之一。陰離子交換膜（AEM）制氫技術(shù)被認為是集堿性電解水（ALK）與質(zhì)子交換膜電解水（PEM）優(yōu)勢于一體的第三代電解水制氫技術(shù)，具有高效率、低成本、快速啟停等優(yōu)勢，但在大電流密度下電解槽系統(tǒng)活性和穩(wěn)定性不足限制了其產(chǎn)業(yè)化應用。因此，開發(fā)大電流密度下高活性、性能穩(wěn)定的堿性析氫催化劑是AEM制氫技術(shù)亟待解決的核心問題之一。過渡金屬Mo基合金因其可調(diào)的化學組成、電子結(jié)構(gòu)以及高度的穩(wěn)定性，被廣泛研究并用作析氫電催化劑。通常，在合成過程中，高溫（> 1300 K）能夠促進合金的形成，為原子分散提供活化能，但也容易引起熱力學驅(qū)動的原子聚集，進而影響電化學活性與穩(wěn)定性。

本文亮點

1.本工作提出利用新型快速焦耳加熱技術(shù)合成調(diào)控制備Mo基合金電催化劑，有效避免了長時間加熱所導致的催化劑凝結(jié)、氧化等問題，為精準化合成高性能、高穩(wěn)定性的合金電催化劑提供新思路。

2.通過材料表征證實催化劑為RuMo合金納米顆粒負載于MoOx的復合材料。所制備的催化劑在堿性環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性(2000 h @ 1000 mA cm-2)和活性(9 mV @ 10 mA cm-2)。

3. 本文結(jié)合一系列實驗表征與理論計算結(jié)果證明，通過焦耳加熱策略引入Ru元素后，催化劑的空位形成能（9.36 eV）以及Mo-o*反鍵能級能夠得到有效的增加和提高，從而抑制了Mo元素的溶解，提升催化劑的穩(wěn)定性。并且，借助于RuMo納米合金引入的不對稱電場，能夠有效調(diào)控界面水網(wǎng)絡，促使快速的OH轉(zhuǎn)移動力學，進而在電解水制氫方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能。

圖文解析

我們提出了一種新型快速焦耳加熱技術(shù)合成調(diào)控制備Mo基合金電催化劑，有效避免了長時間加熱所導致的催化劑凝結(jié)、氧化等問題。XPS和同步輻射結(jié)果有效地證明了RuMo合金的成功制備。

結(jié)果表明，合成催化劑具有全pH應用潛力(在1 M KOH, 1 M PBS, 0.5 M H2SO4溶液中的析氫過電位分別為9 mV @ 10 mA cm-2, 18 mV @ 10 mA cm-2和15 mV @ 10 mA cm-2)，并在堿性環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性(2000 h @ 1000 mA cm-2)。RuMo合金催化劑的引入實現(xiàn)了AEM電解槽（RuMo@MoOx-JH（-）||NiFe-LDH（+））的低能耗制氫（3.82 kW h m-3 @ 300 mA cm-2）。

總結(jié)與展望

本工作提出利用一種新型快速焦耳加熱技術(shù)合成調(diào)控制備Mo基合金電催化劑，其在電解水制氫方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能（1 M KOH: 256 mV @ 2A cm-2）。這項工作為高分散納米合金的制備提供了一種普適性的構(gòu)筑方案，同時，也為理解電催化制氫反應過程機制提供了更多的理論依據(jù)。

作者介紹

通訊作者：孟祥超 教授 中國海洋大學化學化工學院教授、博士生導師。本科畢業(yè)于中國海洋大學，碩士和博士畢業(yè)于加拿大渥太華大學。2019年全職加入中國海洋大學。主要研究方向：光電催化裂解海水制氫；光催化/電催化CO2還原、固氮及新型光電催化反應器設(shè)計及開發(fā)。在光電催化領(lǐng)域發(fā)表學術(shù)論文60余篇。

課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/Meng_Xiangchao

趙展 中國海洋大學化學化工學院在讀博士生。研究方向為新型電催化裂解海水制氫催化劑的設(shè)計與合成。

參考文獻：

Zhao, Z., Sun, J., Li, X. et al. Engineering active and robust alloy-based electrocatalyst by rapid Joule-heating toward ampere-level hydrogen evolution. Nat Commun 15, 7475 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41467-024-51976-5