异質結構提高碳化鉬電解水催化性能

碳化鉬(Mo2C)是過渡金屬鉬的一種典型化合物,其因有類似于鉑的電子結構,而在電解水催化領域備受關注。不過,鉬的未被占據的d軌道使得Mo-H鍵較强,而不利于Mo2C表面的氫脫附,這使它的催化性能不及貴金屬的析氫催化劑。除此之外,Mo2C在析氧條件下還不穩定,極易氧化形成氧化物或氫氧化物幷進一步溶解在電解液中。上述的種種因素,導致鉬碳化物電解水催化劑在實際應用領域受到了限制。

异質結構提高碳化鉬電解水催化性能圖片

爲了解决上述的問題,吉林大學李楠教授團隊采用了構建鈷/碳化鉬(Co/Mo2C)异質結構的方式來提高Mo2C的電解水催化性能。研究表明,在Co/Mo2C异質結構中,鈷的多餘電子可以通過界面向碳化鉬轉移,填充鉬的反鍵軌道,减弱Mo-H鍵,利于表面吸附氫的脫附,從而提升析氫催化性能。此外,鈷還可以通過一種“自犧牲”的方法來保護Mo2C在析氧條件下不被氧化。該催化劑的詳細實驗現象如下:

結構表徵證明了合成的催化劑的晶粒尺寸約爲5-20nm,有碳化鉬/鈷相伴生的异質結構,鬆散多孔,能增加與電解液的接觸面積。

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析氫測試發現,在1 M KOH中該催化劑表現出優异的催化性能。在達到10 mA/cm2的電流密度時,該催化劑所需過電位僅爲98 mV,超過了大部分已有的Mo2C催化劑,幷在48小時內表現出良好的穩定性。

析氧測試發現,在1 M KOH中該催化劑表現出良好的析氧性能。在達到10 mA/cm2的電流密度時,該催化劑所需過電位僅爲254 mV,幷具有良好的穩定性。此外,樣品中的鈷已經被完全氧化爲羥基氧化鈷而碳化鉬却未被氧化,則說明鈷通過“自犧牲”的方法來防止碳化鉬被氧化。

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