​青岛科大：超高全pH析氢性能！一种超低铂修饰层状多孔微柱

日益严重的能源危机和化石燃料造成的全球变暖导致了对清洁氢能的迫切需求，因为它具有高能量密度、可再生和环境友好的特点。为此，水电解作为一种经济、高纯度和无污染的策略，已被公认为是加速广泛利用氢气的最有前途的方法之一，并具有高功效的电催化剂。特别是，由于各种介质下的要求不同，高效的HER催化剂必须在所有的pH值条件下表现良好。在酸性电解质中，质子首先来自酸性物质的水解，然后被吸收到电极表面；而在碱性和中性电解质中，质子通过电极表面的水解的多个反应过程产生，导致HER的动力学迟缓。在全pH条件下实现高效和稳健的氢气进化反应（HER）电催化剂对清洁制氢具有重要意义。

来自青岛科技大学的学者开发了一种由MoO₂微柱上的Ni₃Mo₃N组成的超低Pt装饰的分层Ni-Mo多孔混合体，由于其多孔结构、强大的金属-支撑物相互作用以及超低Pt纳米颗粒和多通道镍泡沫支撑，使得其具有显著的催化性能。超亲水和亲气的表面有利于HER过程中的质量传输。因此，多孔的Pt/Ni-Mo-N-O微柱呈现出显著的HER活性和耐久性，在碱性、中性和酸性介质中分别获得40.6、101.1和89.5 mV的低过电位，可获得100 mA cm^-2的电流密度。此外，在碱性海水中的优异表现（40.4 mV@100 mA cm^-2）甚至超过了大多数过度报道的催化剂。更重要的是，用Pt/Ni-Mo-N-O和NiMoO₄作为正极和负极组装的双电极电池对整个水电解表现出优异的性能，电池电压为1.56 V@100 mA cm^-2的超低水平。相关文章以“Superb All-pH Hydrogen Evolution Performances Powered by Ultralow Pt-Decorated Hierarchical Ni-Mo Porous Microcolumns”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202210855

图1.Pt/Ni-Mo-N-O合成过程示意图

图2. a-c) 不同放大倍数的Pt/Ni-Mo-N-O的SEM图像，d) TEM图像，e,f) Pt/Ni-Mo-N-O的HRTEM图像，g) Pt/Ni-Mo-N-O中Mo, Ni, N, O, Pt的相应EDS图谱。

图3：a）XRD图案。b）接触角。c）气泡接触角。d）吸附等温线。e）Pt/Ni-Mo-N-O的拉曼光谱。本研究设计的Pt/Ni-Mo-N-O的F）Mo 3d、g）Pt 4f、h）Ni 2p和i）N 1s的XPS谱。

图4. 催化剂在1 M KOH电解液中的电化学测量：a）HER极化曲线，b）Tafel 曲线，c）Nyquist图，d）不同扫描速率下的CV曲线。e) 多步计时电位测量，f) 1 M KOH中Pt/Ni-Mo-N-O的计时孔径测量。g,h) 在1 M KOH溶液中，Tafel斜率和达到100mA cm^-2所需的过电位与参考值的比较.

图5. a,b) SEM图像。c) Mo, Ni, N, O, Pt的相应EDS图谱。d) HER后的Pt/Ni-Mo-N-O的Mo 3d谱。e) Pt 4f f) Ni 2p g) N 1s的XPS全谱和高分辨率谱。

图6.碱性海水电解质中催化剂的电化学测量：a）HER极化曲线，b）Tafel斜率，c）制备的催化剂在100 mA cm⁻²和300 mA cm^-2下的过电位比较，d）奈奎斯特图。e） 多步计时电位测量，f） 碱性海水电解质中 Pt/Ni-Mo-N-O 的计时安培测量。

综上所述，合成了一种自支撑的Pt装饰的分层Ni-Mo多孔微柱结构，具有快速电荷传输、大表面积、超亲水和亲气的表面，并在全pH范围和海水电解质中呈现出显著的电解HER性能。此外，该混合催化剂具有优异的机械强度、合适的无氢吸附能量和高的内在催化活性，使其能够实现pH范围内的高效HER。由于Ni-Mo基体和Pt团簇的优异内在活性，制备的混合微结构作为一种高效的HER催化剂，具有令人印象深刻的活性，以及在所有pH条件下的稳定性，表现出最发达的最先进的电催化剂。此外，开发的Pt/Ni-Mo-N-O电催化剂在1 M KOH电解液中表现出显著的电催化活性，并具有出色的耐久性，可以通过可持续的太阳能供电。因此，开发的Pt/Ni-Mo-N-O具有新颖的结构，显示出比最近报道的材料更优越的全氢HER和整体分水活性。这项研究表明，具有形态和电子结构集体效应的铂基双金属氮化物是一种有前途的电催化剂，适用于广泛的pH范围和苛刻的条件。（文：SSC）