MoO2-FeP异质结的界面设计用于高效制氢及生物质电氧化

利用太阳能、风能等间歇式能源转化的低压“弃电”进行电催化水分解制氢越来越受到人们的关注，由于氢气作为可再生高效清洁能源替代传统化石燃料。水分解包括两个半反应：阴极氢气析出反应（HER）和阳极氧气析出反应（OER）。与HER相比，OER的反应过程复杂、动力学缓慢，是限制电催化水分解的效率的主要瓶颈。此外，OER的产物O₂并不是高附加值产品。为了实现可持续清洁能源发展需求，迫切需要更有意义的氧化反应来代替阳极OER与阴极HER配对。生物质是一种以醇或醛主要成分的有机绿色能源，具有低污染、分布广、储量丰富及碳中性等优点，被认为是最有前途的可持续能源之一。研究表明生物质电氧化反应（BEOR）往往比OER展现出更为优异的反应动力学，并且其氧化产物（如：羧酸类化合物）在食品、高分子和制药等领域的重要应用。因此将HER与BEOR耦合配对，利用高效的催化剂以同步低压催化产氢和高附加值化学品的合成是十分有意义的，但这仍然是一个挑战。

图片来源：Adv. Mater., 2020, 32, 202000455

近日，黑龙江大学付宏刚教授（点击查看介绍）课题组借鉴POMOF的合成策略，利用纳米纺锤型羟基氧化铁（FeOOH）作为自牺牲基底，通过加入杂多酸（PMo₁₂）和有机配体，在FeOOH上原位形成Mo-Fe有机配合物，经可控磷化成功制备了多孔碳包覆MoO₂-FeP异质结（MoO₂-FeP@C）催化剂。合成的MoO₂-FeP@C具有丰富的活性界面，可同时高效催化HER和BEOR。XPS分析和理论计算证实了界面处MoO₂向FeP的电子转移，其中FeP上的电子积聚有助于优化HER的H₂O和H*吸附能，而MoO₂上的空穴积聚有利于改善BEOR活性。

图1. MoO₂-FeP@C催化剂的设计方案及SEM和TEM表征

图2. MoO₂-FeP的密度泛函理论计算

得益于其特殊的界面电子结构，MoO₂-FeP@C表现出出色的HER活性，在10 mA cm^-2处的过电势为103 mV，Tafel斜率为48 mV dec^-1。同时，当选择5-羟甲基糠醛（HMF）作为BEOR的生物质时，其转化率几乎为100％，选择性合成2，5-呋喃二甲酸（FDCA）的产率为98.6％，并且展现出优异的HMF电氧化循环稳定性。

图3. MoO₂-FeP@C的电化学性能

由于阴阳两极的催化剂成分相同，操作简单、易于组装实现同步析氢及生物质电氧化。使用MoO₂-FeP@C实现阴极产H₂和阳极合成高附加FDCA的电解器获得10 mA cm^-2电流仅需1.486 V的电压，并可通过输出电压为1.45 V的太阳能电池系统驱动电解，表明该催化剂转换太阳能等间歇式能源的潜力。另外，MoO₂-FeP@C催化的其他生物质氧化反应与HER偶联均展现出优异的催化性能，表明其良好的普适性。

图4. MoO₂-FeP@C电催化生物质氧化性能及组成两电极时的电化学性能

这项研究成果近期发表在Advanced Materials 期刊上。本篇文章得到了科技部重点研发计划（2018YFB1502401），国家自然科学基金（21631004, 21805073, 21601055, 21571054）的资助，黑龙江大学杨淦曾博士为论文的第一作者，闫海静副教授和付宏刚教授为论文的共同通讯作者，黑龙江大学为论文的唯一通讯单位。

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）：

Interfacial Engineering of MoO₂-FeP Heterojunction for Highly Efficient Hydrogen Evolution Coupled with Biomass Electrooxidation

Ganceng Yang, Yanqing Jiao, Haijing Yan,* Ying Xie, Aiping Wu, Xue Dong, Dezheng Guo, Chungui Tian, Honggang Fu*

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202000455

导师介绍

付宏刚

https://www.x-mol.com/university/faculty/10066