南师大/南通大学AFM: MoC中掺入Ru单原子，增强碱性HER反应

学术 2024-11-23 11:00 广东

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由于掺杂剂与主体的协同效应，单原子掺杂材料可作为高效电催化剂。单原子掺杂剂不仅可以作为新的活性位点，而且还可以修饰电子结构，甚至触发载体的催化活性，在短反应途径中创建具有强协同作用的多功能催化中心，以加速整体催化动力学。

碳化钼是一类具有广阔应用前景的HER电催化剂，但是由于氢键强度较弱、活性位点暴露不足以及纳米结构控制不佳，原始碳化钼的电催化性能仍然远远低于Pt/C。将单原子掺杂剂固定在碳化钼上形成单相催化剂是产生强电子金属载体相互作用(EMSI)的最有效策略之一。

这种相互作用产生了多个催化位点、轨道再杂交和电荷重分布，可以有效地优化反应中间体在活性位点上的吸附/解吸行为，降低反应能垒。因此，合理制备具有多个协同催化位点的单原子掺杂碳化钼杂化催化剂对于提高碱性HER性能具有重要意义。

近日，南京师范大学唐亚文、徐林和南通大学赵群等提出了一种在碱性介质中激活具有优异HER活性的Ru单原子掺杂MoC催化剂。具体而言，研究人员将原子分散的Ru位点掺杂到MoC纳米粒子中，并将其负载在3D N掺杂的碳纳米花(Ru-SAs@MoC/NCFs)上。

实验结果和理论计算表明，原子分离的Ru掺杂剂可以有效地触发Mo中心，赋予其良好的H₂O热力学吸附/解离能。同时，Ru中心促进了OH解吸；具有强电负性的N位点作为电子受体同时促进了H₂O解离过程的激活，而且增强了H的吸附，从而协同提高了整体碱性HER动力学。

因此，Ru-SAs@MoC/NCFs催化剂在碱性条件下达到10 mA cm^-2电流密度所需的HER过电位仅为16 mV，Tafel斜率为28.1 mV dec^-1，优于商业Pt/C催化剂(23 mV，36.3 mV dec^-1)。

此外，Ru-SAs@MoC/NCFs在20 mV过电位下连续电解25小时而没有发生明显的活性下降，且在经过3000次CV循环后的LSV曲线仅发生轻微负移。更重要的是，稳定性测试后材料的形貌和结构未发生明显变化，表明Ru-SAs@MoC/NCFs催化剂具有优异的稳定性。

总的来说，该项工作不仅揭示了原子掺杂诱导增强碱性HER性能的基本机理，并进一步提出了高效电催化剂的原子级操纵的设计概念。

Synergistic alkaline hydrogen evolution catalysis over MoC triggered by doping single Ru atoms. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202417034

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