Angew. Chem.：Co/β-Mo2C异质结构@氮掺杂碳纳米管高效双功能电催化剂

化石能源的广泛使用在促进人类社会高速发展的同时也造成了能源危机和温室效应等不良后果。为实现可持续性发展目标，寻找和开发绿色能源迫在眉睫。电化学分解水制氢是减少环境污染与实现可再生清洁能源的一个重要途径。电催化分解水包括水的氧化反应（Oxygen Evolution Reaction, OER）和还原反应（Hydrogen Evolution reaction, HER）。目前，铂和铱系贵金属电催化剂是最有效的HER/OER催化剂，但昂贵价格、低存储量和单一催化功能严重限制了它们的大规模商业化应用。研发替代性且廉价高效的电催化剂且在相同的pH值范围内推动HER和OER以实现全水分解成为目前的研究热点之一。

Mo₂C由于具有与铂类似的电子结构，被广泛认为最有潜力替代贵金属铂；然而，Mo₂C的OER活性较差，严重制约了其在全水分解中的应用。迄今为止，众多Mo₂C基功能化策略中，过渡金属与Mo₂C杂化可以有效地调节Mo的电子密度以降低其氢吸附自由能，从而获得高HER性能。然而，如何耦合构筑过渡金属与Mo₂C异质结来提升OER性能进而实现全水解仍是对化学家的一个巨大挑战。

图1. a) Co/β-Mo₂C@N-CNTs的制备策略；b) 催化剂的管状碳纳米材料的SEM图；c) 催化剂的HRTEM图；d) Co/β-Mo₂C@N-CNTs及对比催化剂对活性氢原子的吸附吉布斯自由能图；e) Co/β-Mo₂C@N-CNTs OER催化过程自由能的计算图。

广州大学清洁能源材料研究所刘兆清教授（点击查看介绍）团队前期已经研究了镍原子修饰的β-Mo₂C材料，该材料在广泛pH范围内展现了良好的HER性能（Chem. Commun., 2018, 54, 9901-9904, Back Cover）。为了进一步提升Mo₂C基复合材料的OER性能，以推广其应用于全水分解。该团队进一步构筑了基于Co/β-Mo₂C异质结材料来调节碱性环境下OER过程中缓慢的*OOH生成步骤，从而大大加速了分解水的动力学过程。相对于Co@N-CNTs和Mo₂C@N-CNTs，Co/β-Mo₂C@N-CNTs的OER性能大幅度提升。密度泛函理论计算进一步证明，Co/β-Mo₂C异质结可以大幅度降低OER反应中反应决速步的反应能垒，进而大幅度加速OER动力学来提高其催化性能。此外，Co/β-Mo₂C异质结也大大提升了β-Mo₂C的HER性能。基于Co/β-Mo₂C@N-CNTs在OER和HER双催化反应的优异性能，催化剂在碱性电解液中表现出优异的全分解水性能和高稳定性，有望应用于实际碱性电解液中全水分解。该工作对Co/β-Mo₂C@N-CNTs催化剂的发展和活性中心进行了细致深入的研究，为新型能源材料的设计开发提供了新的思路。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的通讯作者为刘兆清教授。

该论文作者为：Ting Ouyang, Ya-Qian Ye, Chun-Yan Wu, Kang Xiao, Zhao-Qing Liu*

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Heterostructures Comprised of Co/β-Mo₂C-Encapsulated N-Doped Carbon Nanotubes as Bifunctional Electrodes for Water Splitting

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201814262

导师介绍

刘兆清

https://www.x-mol.com/university/faculty/19673

（本稿件来自Wiley）