湖南大学合作《AEM》：碱性、酸性条件下都能高效析氢的策略！

导读：本文通过在过渡金属碳化物（TMC）表面引入吸附的镍原子（Ni/TMC）来活化TMC (M = V、Fe、Cr和Mo)。在酸性和碱性溶液中，活化后的Ni/TMC催化剂的HER过电位和塔菲尔斜率都急剧下降。这项工作提供了一个通用普适的方法来激活TMC，使其在不同的溶液条件下具有出高效的HER性能。

为了缓解水污染、空气污染等环境问题，人们投入了大量精力寻找绿色能源来替代化石能源。氢气因其环境友好、能量密度高，被认为是理想的替代品。为了实现高效的氢气转化，发展具有高活性、长稳定性能的析氢反应（HER）电催化剂已迫在眉睫。铂虽然被认为是目前最优秀的催化剂，但它的普遍应用暂时并不可行。因此，不含贵金属的高性能催化剂，尤其是在酸性和碱性溶液中皆具有优异的HER催化性能和稳定性且无需添加粘结剂得到催化剂，是人们普遍关注和研究的热点。

在众多由非贵金属过渡金属(如Ni、V、Mo、Fe、Cr和W)组成的催化剂中，过渡金属碳化物（TMCs）自1973年以来因其类铂行为而广受关注。这是因为金属的d轨道与碳的s轨道和p轨道杂化导致TMC中金属的d轨道变宽，使其具有类似铂的特征。在众多TMCs中，关于的W2C和Mo2C的相关研究最多。然而，研究表明，需要对TMC内部金属的电子结构进行优化，才能进一步提高TMC的HER活性。另一方面，密度泛函理论(DFT)的计算验证了功能过渡金属原子(如Ni、Co、Fe)的引入对富集金属位上的电子有显著影响，能够导致d带中心位移下降，使H-结合能减弱，从而达到活化TMC的目的。然而，目前仍缺乏一种通用的方法来实现过渡金属原子活化TMCs。

针对上述问题，湖南大学李轩科教授团队联合武汉科技大学和德国锡根大学研究团队提出了一种通用的活化策略来提高TMC的HER效率，更确切地是通过在TMC表面引入金属原子作为催化位点来提高TMC的HER效率。该工作以“Ni‐Activated Transition Metal Carbides for Efficient Hydrogen Evolutionin Acidic and Alkaline Solutions”为题，发表在国际著名期刊《Advanced Energy Materials》上。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202002260

作者以碳化钒(VC)为例，采用覆盖有石墨烯的镍泡沫（Ni-GF）作为导电基底和镍源，利用水热法和镁热反应，将VC生长到Ni-GF表面（Ni-GF/VC）。并且研究了在酸性和碱性介质中，Ni-GF/VC催化剂的HER性能(如过电位、塔费尔斜率、法拉第效率、循环稳定性)，并与Pt/C催化剂进行了比较。这种通过将吸附的镍原子引入TMCs表面的激活方式，有效地优化了TMCs的d-电子结构，使活性位点数量显著增加，增强了TMCs的内在催化活性。石墨烯泡沫的三维结构提供了导电网络以及TMCs之间的强相互作用，促进了快速电子传递过程。这些催化剂的高比表面积暴露出更活跃的产氢位点，并有效地释放氢气气泡。实验结果表明，在引入镍吸附原子后，这些无粘结剂的Ni-GF/TMCs在碱性和酸性介质中都表现出了优越的HER性能，具有极低的过电位和塔菲尔斜率以及优异的析氢稳定性。

综上所述，作者所提出的策略是普适通用的，在活化TMCs以有效地产生氢气以及其他催化反应方面具有很大的应用前景。（文：天航）

图1. Ni-GF/VC催化剂的合成

图2. Ni-GF/VC催化剂的表征

图3. Ni-GF/VC催化剂的形貌表征

图4. Ni-GF/VC催化剂的HER性能测试图

图5. 在酸性和碱性介质中Ni活化TMC增强HER的机制

图6. Ni-GF/TMC催化剂的HER性能测试图