第一作者：趙展

通訊作者：孟祥超教授

通訊單位：中國(guó)海洋大學(xué)

論文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51976-5

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過(guò)渡金屬M(fèi)o基合金因其可調(diào)的化學(xué)組成、電子結(jié)構(gòu)以及高度的穩(wěn)定性，被廣泛研究并用作析氫電催化劑。通常，在合成過(guò)程中，高溫（> 1300 K）能夠促進(jìn)合金的形成，為原子分散提供活化能，但也容易引起熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)的原子聚集，進(jìn)而影響電化學(xué)活性與穩(wěn)定性。基于此，中國(guó)海洋大學(xué)孟祥超教授課題組提出了利用快速焦耳加熱技術(shù)精確誘導(dǎo)RuMo合金的形成，實(shí)現(xiàn)了RuMo納米合金在MoO2基底的高分散性構(gòu)筑，從而合成高活性、高穩(wěn)定性的合金電催化劑。

背景介紹

氫能作為一種低碳高效的清潔能源，在全球能源轉(zhuǎn)型和應(yīng)對(duì)氣候變化方面扮演重要角色。按照制氫的三種方法，氫能分為灰氫、藍(lán)氫、綠氫。其中，以可再生能源電解水制氫為代表的綠氫在生產(chǎn)過(guò)程中不產(chǎn)生溫室氣體，被廣泛視為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要路徑之一。陰離子交換膜（AEM）制氫技術(shù)被認(rèn)為是集堿性電解水（ALK）與質(zhì)子交換膜電解水（PEM）優(yōu)勢(shì)于一體的第三代電解水制氫技術(shù)，具有高效率、低成本、快速啟停等優(yōu)勢(shì)，但在大電流密度下電解槽系統(tǒng)活性和穩(wěn)定性不足限制了其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)大電流密度下高活性、性能穩(wěn)定的堿性析氫催化劑是AEM制氫技術(shù)亟待解決的核心問(wèn)題之一。過(guò)渡金屬M(fèi)o基合金因其可調(diào)的化學(xué)組成、電子結(jié)構(gòu)以及高度的穩(wěn)定性，被廣泛研究并用作析氫電催化劑。通常，在合成過(guò)程中，高溫（> 1300 K）能夠促進(jìn)合金的形成，為原子分散提供活化能，但也容易引起熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)的原子聚集，進(jìn)而影響電化學(xué)活性與穩(wěn)定性。

本文亮點(diǎn)

1.本工作提出利用新型快速焦耳加熱技術(shù)合成調(diào)控制備Mo基合金電催化劑，有效避免了長(zhǎng)時(shí)間加熱所導(dǎo)致的催化劑凝結(jié)、氧化等問(wèn)題，為精準(zhǔn)化合成高性能、高穩(wěn)定性的合金電催化劑提供新思路。

2.通過(guò)材料表征證實(shí)催化劑為RuMo合金納米顆粒負(fù)載于MoOx的復(fù)合材料。所制備的催化劑在堿性環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性(2000 h @ 1000 mA cm-2)和活性(9 mV @ 10 mA cm-2)。

3. 本文結(jié)合一系列實(shí)驗(yàn)表征與理論計(jì)算結(jié)果證明，通過(guò)焦耳加熱策略引入Ru元素后，催化劑的空位形成能（9.36 eV）以及Mo-o*反鍵能級(jí)能夠得到有效的增加和提高，從而抑制了Mo元素的溶解，提升催化劑的穩(wěn)定性。并且，借助于RuMo納米合金引入的不對(duì)稱電場(chǎng)，能夠有效調(diào)控界面水網(wǎng)絡(luò)，促使快速的OH轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，進(jìn)而在電解水制氫方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能。

圖文解析

我們提出了一種新型快速焦耳加熱技術(shù)合成調(diào)控制備Mo基合金電催化劑，有效避免了長(zhǎng)時(shí)間加熱所導(dǎo)致的催化劑凝結(jié)、氧化等問(wèn)題。XPS和同步輻射結(jié)果有效地證明了RuMo合金的成功制備。

結(jié)果表明，合成催化劑具有全pH應(yīng)用潛力(在1 M KOH, 1 M PBS, 0.5 M H2SO4溶液中的析氫過(guò)電位分別為9 mV @ 10 mA cm-2, 18 mV @ 10 mA cm-2和15 mV @ 10 mA cm-2)，并在堿性環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性(2000 h @ 1000 mA cm-2)。RuMo合金催化劑的引入實(shí)現(xiàn)了AEM電解槽（RuMo@MoOx-JH（-）||NiFe-LDH（+））的低能耗制氫（3.82 kW h m-3 @ 300 mA cm-2）。

總結(jié)與展望

本工作提出利用一種新型快速焦耳加熱技術(shù)合成調(diào)控制備Mo基合金電催化劑，其在電解水制氫方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能（1 M KOH: 256 mV @ 2A cm-2）。這項(xiàng)工作為高分散納米合金的制備提供了一種普適性的構(gòu)筑方案，同時(shí)，也為理解電催化制氫反應(yīng)過(guò)程機(jī)制提供了更多的理論依據(jù)。

作者介紹

通訊作者：孟祥超 教授 中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。本科畢業(yè)于中國(guó)海洋大學(xué)，碩士和博士畢業(yè)于加拿大渥太華大學(xué)。2019年全職加入中國(guó)海洋大學(xué)。主要研究方向：光電催化裂解海水制氫；光催化/電催化CO2還原、固氮及新型光電催化反應(yīng)器設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)。在光電催化領(lǐng)域發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇。

課題組主頁(yè)：https://www.x-mol.com/groups/Meng_Xiangchao

趙展 中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院在讀博士生。研究方向?yàn)樾滦碗姶呋呀夂Ｋ茪浯呋瘎┑脑O(shè)計(jì)與合成。

參考文獻(xiàn)：

Zhao, Z., Sun, J., Li, X. et al. Engineering active and robust alloy-based electrocatalyst by rapid Joule-heating toward ampere-level hydrogen evolution. Nat Commun 15, 7475 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41467-024-51976-5