广西大学CEJ II MoP@Mo2C量子点异质结高效双功能电催化剂

文章背景

水的裂解过程可分为两个半电池反应，即析氢反应(HER)和析氧反应(OER)。迄今为止，Pt基氧化物和Ir/Ru基氧化物被广泛认为是最活跃的HER和OER的电催化剂。然而，其储量稀少、价格高、稳定性差，阻碍了其大规模商业应用性。

由于酸性介质中H⁺含量较高，催化剂在酸性介质中的HER催化活性高于碱性环境。在碱性介质中，OER的活性更强，因为打破一个氧氢键比打破两个键生成O₂所需的能量更少。因此，很少有电催化剂在相同的介质中同时实现HER和OER的高活性。

Mo基材料不仅具有良好的催化活性，而且价格低廉、地球资源丰富。MoP纳米粒子被证明是一种高效的HER电催化剂。此外， Mo₂C纳米粒子在KOH溶液中具有较高的HER和OER活性。三维多孔结构可以在催化过程中实现快速的质量/电荷转移，异质结结构的存在可以触发界面电子的自发转移，从而调节两种接触组分的电子态。然而，如何将钼基催化剂的各种优点综合起来，通过一种简单的策略来制备HER/OER双功能电催化剂仍然是一个巨大的挑战，迄今为止，鲜有相关研究报道。

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广西大学朱金良课题组等人报道了一种在N，P掺杂网络骨架上耦合MoP-Mo₂C量子点电催化剂。研究了MoP和Mo₂C颗粒在三维多孔碳骨架上的分布，以及MoP-Mo₂C耦合异质结构的催化剂比表面积，孔结构和电子状态。此外，采用密度泛函理论(DFT)计算来确定HER过程的能垒。最后，在碱性条件下，评价了MoP-Mo₂C/NPC作为HER和OER双功能电催化剂的应用，并与常用的Pt/C || RuO₂/C体系进行了比较。

结果与讨论

图1是催化剂的结构形貌表征，在27.9，32.2和43.1处观察到尖锐的峰，分别对应于六边形相MoP的(001)、(100)和(101)晶面。在34.5、38.0和39.6处的其他强峰对应于六方相Mo₂C。

SEM图像可以明显看出，MoP-Mo₂C/NPC是一种由卷曲的，几乎透明的超薄纳米片组成的多孔网络结构。TEM进一步证实了SEM结果，没有观察到明显的颗粒，MoP和Mo₂C点的尺寸为~2 nm。

XPS显示在Mo三维区域的高分辨率拟合图中，结合能在228.8 eV和231.7 eV处的峰值对应MoP和Mo₂C。在232.2和235.2 eV处的峰值可归为Mo⁴⁺，在232.8和235.9 eV处的峰值可归为Mo⁶⁺。Mo⁴⁺和Mo⁶⁺可以分别归属于MoO₂和MoO₃。

图3是MoP@Mo₂C/NPC在1M KOH下的HER测试，10 mA cm^-2的过电位仅有176 mV。

图4是MoP@Mo₂C-NPC在1M KOH下的OER测试，100mA cm^-2的过电位仅有330 mV。

总之，作者以KOH为活化剂，通过对Mo离子螯合树脂进行简单、低成本的一锅热处理，制备了均匀分布在N，P双掺杂三维多孔碳片网络上的量子点异质结构。密度泛函理论计算表明，MoP-Mo₂C/NPC具有较低的|ΔGH*|值0.07 eV，为MoP和Mo₂C催化剂中最小的值。这项工作为设计和制备高效，低成本的水分解电催化剂提供了新的灵感。

 Jiang E, Li J, Li X, et al. MoP-Mo2C quantum dot heterostructures uniformly hosted on a heteroatom-doped 3D porous carbon sheet network as an efficient bifunctional electrocatalyst for overall water splitting. Chemical Engineering Journal, 2022, 431: 133719.

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