中科院福建物构所＆南方科技大学Adv. Funct. Mater.：构造钼基纳米线阵列用于pH通用型电催化析氢

【引言】

钼（Mo）是一种地球储量丰富的过渡金属元素，其具有丰富的氧化还原化学特性，而且钼基化合物（如MoP、MoS₂、MoN、MoO₂和Mo₂C）已被广泛应用于晶体管、光探测器、超级电容器、锂/钠离子电池、光催化剂和电催化剂等领域。特别地，钼基化合物已被发现对广泛pH介质中的析氢反应具有高的本征催化活性及稳定性，而发展具有pH普适性的电催化剂是非常有必要的。迄今为止，为提高钼基电催化剂的HER性能已经做了大量的工作，如晶相工程、表/界面工程、掺杂和纳米碳复合等以用于增加表面活性位点密度和提高单个活性位点的本征活性。然而，这些钼基催化剂的表观HER活性仍然较低，可能由于其纳米结构化方面的不足，导致其活性位点暴露较少、电荷传递与质量传输不良等。
纳米结构工程在通过调节形状、尺寸、形貌、异质结构和特定原子平面的暴露来调整材料的性能和改善功能系统的性质方面扮演着至关重要的角色。在各种纳米结构中，具有高纵横比的纳米线阵列（NWAs）不仅拥有大的比表面积和足够的间隙空间，因而能够有效地暴露材料表面的活性位点，而且其特殊组织结构赋予的超疏气表面能够加速释放从电极表面所产生的气泡，从而提高气体析出催化反应中的质量输运效率。此外, NWAs直接生长在导电基底上构筑自支撑的催化剂电极能够保证催化剂与基底之间的良好的电接触及力学稳定性，同时避免了繁杂的催化剂电极制备工序

【成果简介】

近日，中科院福建物质结构研究所王瑞虎研究员和南方科技大学梁永晔教授（共同通讯作者）等人合作采用一种简易的方法在多孔碳纤维纸（CFP）上合成各种MoX_n NWAs，其中MoX_n包括MoP、MoS₂、Mo₂C、MoN和MoO₂。研究表明这些MoXn纳米线由紧密相连的纳米颗粒或边缘丰富的纳米片组成，当这些纳米线被制作成自支撑的电极时，这些MoX_n NWAs/CFP对广泛pH介质中的析氢反应（HER）均表现出优异的催化活性和稳定性。特别地，性能最优的MoP NWAs/CFP显示出与铂片电极相当甚至更优的HER性能，这在与HER相关的能源技术中具有极大的应用前景。该研究成果以“General Construction of Molybdenum-Based NanowireArrays for pH-Universal Hydrogen Evolution Electrocatalysis”为题发表于著名材料期刊Adv. Funct. Mater.。

【图文导读】

图一 合成MoX_n NWAs/CFP的示意图

（Ⅰ）通过溶剂热反应在CFP上合成含Mo前驱体的NWAs
（Ⅱ）在不同的气氛下，通过含Mo前驱体的NWAs/CFP的拓扑转化形成MoX_n NWAs

图二 合成样品的SEM和TEM表征

（a，b）MoP NWAs/CFP的SEM图像
（e，f）MoS₂ NWAs/CFP的SEM图像
（c，d）MoP纳米线的TEM图像
（g，h）MoS₂纳米线的TEM图像
（c）中的白色箭头表示纳米孔

图三 合成样品的TEM表征

（a，b）MoO₂纳米线的TEM图像
（c，d）MoN纳米线的TEM图像
（e，f）Mo₂C纳米线的TEM图像

图四 样品的极化曲线

（a、c、e）分别表示0.5 M H₂SO₄、1 M PBS和1 M KOH中MoX_n NWAs/CFP和Pt平板电极的极化曲线
（b、d、f）从相应的极化曲线中计算的Tafel图

图五 不同pH介质中MoP NWAs/CFP对HER的催化耐久性

（a）5000 ADTCV循环前后记录的手工iR矫正极化曲线
（b）在j=-10 mA cm^-2时的计时电位曲线

【小结】

本文为了在CFP导电基底上直接合成MoX_n NWAs，开发了一种简易的合成策略，即采用溶剂热反应与后续的拓扑转变相耦合的方式。对于HER电催化剂的经典应用，自支撑的MoP NWAs/CFP表现出类似Pt的活性，并且在广泛pH介质中也具有极高的稳定性，而这些优异的性质均来源于MoP高的本征活性以及NWAs结构独特的优势，其可为反应提供大量的活性位点、高效的电荷迁移与良好的质量输运。在这项工作中所开发的通用策略代表了设计合成Mo基纳米阵列结构的一个里程碑，这种独特的材料原型也将应用于除HER催化剂以外的其他领域。

文献连接：General Construction of Molybdenum‐Based Nanowire Arrays for pH‐Universal Hydrogen Evolution Electrocatalysis（Adv. Funct. Mater., 2018, DOI:10.1002/adfm.201804600）

本文由材料人编辑部计算材料组杜成江编译供稿，材料牛整理编辑。

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