氮掺杂碳空心球与磷化钼纳米颗粒协同提高碱性电催化产氢性能

氢能具有清洁、含能高、环境友好等特性，受到研究者的广泛关注。电催化产氢是制备氢气的重要手段，其中碱性条件相较于酸性条件更加经济实用，备受研究者青睐。贵金属铂是目前HER活性最高的催化剂。但是，高成本和有限的存储量制约其在电催化制氢领域中的大规模应用，因而设计高性能的非贵金属材料来替代传统的贵金属催化剂对电催化产氢工业发展至关重要。在碱性溶液中，HER的动力学主要受限于其缓慢的Volmer步骤，因此加速Volmer过程是一条有效提高HER性能的途径。目前，设计协同复合材料是加速Volmer步骤，从而实现催化性能提升的有效手段。

近日，洛阳师范学院刘献明教授清洁能源材料团队与北京科技大学理论计算团队合作，通过设计有机无机复合前驱物，结合退火工艺，成功制备氮掺杂碳空心球与磷化钼纳米颗粒复合物（MoP@NC）。研究表明氮掺杂碳空心球与磷化钼纳米颗粒的协同作用，能够提高吸附水的解离速率，进而加速碱性电催化产氢。同时，通过理论计算证明吡啶氮在水解离和吸附中的作用。如图4，相比与MoP，吡啶N-MoP催化H₂O解离的能垒更低，从而加快了在碱性介质中吸附H₂O产生质子的步骤。另外，吡啶N-MoP更有利于OH-的脱附，再者，在吡啶N-MoP的相互作用位点，Mo的d带中心降低，从而削弱Mo-H_ads键，提高HER性能。该工作通过实验和理论结合，证明了吡啶氮对碱性电解水产氢的重要作用。该催化剂在1.0 M KOH溶液中，10 mA cm^-2时对应的过电势仅为96 mV，Tafel斜率为53 mV dec^-1。此外，经过1000次循环伏安扫描或35小时的恒电压反应后性能仍保持良好。该工作为复合结构催化剂的设计提供了新的思路。相关研究成果近期发表在Chemical Engineering Journal 上。

图1. MoP@NC制备过程

图2. 催化剂结构表征

图3. 电催化测试结果

图4. DFT计算结果

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Template-free Fabrication of MoP Nanoparticles Encapsulated in N-doped Hollow Carbon Spheres for Efficient Alkaline Hydrogen Evolution

Jin Li, He Huang, Xinxiang Cao, Hong-Hui Wu, Kunming Pan, Qiaobao Zhang, Naiteng Wu, Xianming Liu

Chem. Eng. J., 2020, DOI: 10.1016/j.cej.2020.127677

课题组简介

刘献明，博士/教授，1972年9月生，江西莲花县人，硕士生导师，香港科技大学访问学者，河南省高校青年骨干教师，洛阳市青年科技专家。研究方向为能源化学与材料，先后主持完成国家自然科学基金1项，省级项目3项。近年来在Prog. Mater. Sci.、Nano Energy、Energy Storage Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nanoscale Horiz.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Nanoscale、J. Power Sources、Comp. Sci. Technol.、Electrochim. Acta、Inorg. Chem. Front.、Appl. Surf. Sci. 等国际知名期刊发表论文80余篇。论文引用次数3000次以上，H指数为28，有4篇论文入选为ESI高被引论文，单篇最高被引超300次。作为第一发明人授权国家发明专利5项。

https://www.x-mol.com/university/faculty/156356

毋乃腾，博士/副教授，1988年生，河南博爱人，三峡大学兼职硕士生导师，河南省高校科技创新人才。研究方向为新型能源材料。主持国家自然科学基金1项，省级项目2项。近5年来以第一作者身份在J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Interfaces、Nanoscale、Electrochim. Acta、ChemElectroChem、Inorg. Chem. Front.、J. Alloy Compound. 等国际期刊发表SCI收录学术论文10余篇。

刘贵龙，博士/副教授，1988年生，河南南阳人。研究方向为锂离子电池、钠离子电池电极材料。主持国家自然科学基金青年基金、河南省科技攻关计划项目各一项。在Nanoscale Horiz.、Appl. Catal. A：Gen. 、Appl. Surf. Sci.、Fuel、Fuel Process. Technol.、J. Electrochem. Soc. 等国际刊物上发表论文10余篇。

郭东磊，博士，男，1988年9月生，河南平舆人。研究方向为柔性电池电极材料的设计制备、特殊结构纳米材料的合成等，主持河南省科技攻关项目1项。在Nano Energy、Nanoscale、Electrochim. Acta、Cryst. Growth Des.、J. Alloys Compd.、J. Solid State Electrochem.等SCI期刊上发表学术论文10余篇。

李进，博士/讲师，1986年生，安徽利辛人。研究方向为电催化材料。主持河南省高校重点学科项目1项。在J. Mater. Chem. A、Chem. Eng. J.、Mater. Lett.、 CrystEngComm、Dalton Trans.、New J. Chem. 及ChemSusChem等SCI期刊上发表学术论文10余篇。