原創 論文作者 MaterialsViews 20121-11-19
鉑（Pt）等貴金屬是電化學析氫反應（HER）最有效的電催化劑，但存在著成本高昂和資源稀缺等弊端。而要實現Pt等貴金屬的高效利用，通過調控并優化其電子結構以大幅提升催化劑的催化活性不失為一條重要的研究路徑。近年來，過渡金屬碳化物（TMCs）因其高化學與結構穩定等特性被廣泛研究。其中，碳化鉬因擁有與Pt相似的d帶結構被視為最具潛力的非貴金屬催化劑之一。因此，如何將Pt基金屬催化劑與碳化鉬相結合，獲得最大協同催化效果已成為目前研究的關鍵。然而，現階段研究報道基本上是圍繞碳化鉬負載Pt展開，而對于建立碳化鉬-Pt合金異質結構的報道卻十分有限。因此，有必要在對Pt進行合金化處理的同時實現與碳化鉬的有機結合，通過調控異質結構界面的電子結構改善其析氫催化本征活性。
近日，武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室木士春課題組利用密度泛函理論（DFT）預測了碳化鉬-PtCu合金（PtCu-Mo2C）異質結構對催化HER的優越性。在此基礎上，他們巧妙地利用NENU-5作為前驅體，通過后續簡易的退火步驟以及置換還原反應成功合成了PtCu-Mo2C異質結構催化劑，并系統研究了其析氫催化反應性能。
理論計算結果表明，PtCu-Mo2C異質結構的構筑改變了界面處的電子態分布，增強了電荷轉移趨勢。優化的電子結構改善了析氫反應（HER）中氫的吸附能，從而降低其反應熱力學勢壘。
圖1. PtCu-Mo2C異質界面的差分電荷密度以及PtCu、Mo2C、PtCu-Mo2C三種H*吸附位點結構模型及其氫吸附自由能 (ΔGH*) 比較。
利用NENU-5熱解特性及溫和的置換還原反應，木士春教授研究團隊實現了所設想的PtCu-Mo2C異質界面催化材料的可控構筑。異質結構中PtCu納米合金與Mo2C納米顆粒的相互作用使得本征活性位點處電子結構得到優化。電化學測試結果顯示，PtCu-Mo2C催化材料在酸性介質下對HER展現出優異的催化活性、快速的反應動力學及出色的耐久性。達到10 mA cm-2的電流密度僅需26 mV的過電位，其質量活性（-0.04 V時，為1 A mg-1Pt）是商業Pt/C催化劑的6倍。這項研究工作將為可控構筑高性能的合金催化材料和異質結構材料提供科學指導。
圖2. 催化劑合成示意圖、STEM圖像及電催化性能表現。
論文信息：
Molybdenum Carbide-PtCu Nanoalloy Heterostructures on MOF-Derived Carbon toward Efficient Hydrogen Evolution
Chengtian Zhang, Qian Liu, Pengyan Wang, Jiawei Zhu, Ding Chen, Yue Yang, Yufeng Zhao, Zonghua Pu*, Shichun Mu*
Small
DOI: 10.1002/smll.202104241