ACS Nano：具有高表面电荷密度的Nb4N5-xOx-MoS2异质催化剂促进高性能产氢

【引言】

  目前，大部分理想的催化剂（如Pt）可以在强酸性条件下发挥良好的效果，但是在碱性溶液中，由于水电解反应动力学缓慢，导致Pt-基催化剂的HER效率比酸性介质低2-3个数量级。而实际应用中很多时候溶液是碱性的，因此，开发高效、不含贵金属、耐用的碱性电催化剂对实际应用具有极大的挑战与迫切性。

  二硫化钼（MoS₂）是一种典型的二维层状各向异性材料，由于其吸附H (ΔG(H))自由能的优化，已成为铂族金属的一种很有前途的替代品。块状MoS₂在酸性溶液中由于活性中心密度低和电输运性能差，其电化学性能不理想。此外，MoS₂的初始水吸附效率一般较低，OH^-在表面的过度结合导致其在碱性介质中的HER动力学缓慢，抑制了H₂的生成。因此促进MoS₂的水吸附和提高其本征电导率是提高MoS₂基催化剂电催化制氢性能的关键。近年来，具有协同促进反应动力学的非均相纳米结构因其电子重构而受到越来越多的关注，这种重构的材料的性能远优于其单组分的对应物。非均相电催化通常涉及从催化剂表面到被吸附物种的电荷转移，转移效率主要取决于电催化剂的表面电荷密度。因此，将导电电子供体材料与电子受体MoS₂结合可以产生强的电子重组，有效提升提高杂化材料的内在活性。氮氧化铌具有类似于VIII族贵金属的高密度态，优异的导电性和化学稳定性，被认为是最有前途的候选电子给体材料之一。因此，综合MoS₂和氮氧化铌的优点，构建具有强电子耦合效应的异质结构材料有望极大地提升其电催化活性。

【成果简介】

近日，山西大学范修军教授、山西师范大学张献明教授（共同通讯作者）等人在ACS Nano上发表了题为“Covalently  Connected  Nb₄N_5-xO_x-MoS₂ Heterocatalysts with Desired Electron Density to Boost Hydrogen Evolution”的文章。该研究采用水热法和化学气相沉积法（CVD）在N掺杂石墨烯上合成了Nb₄N_5-xO_x-MoS₂异质结构材料。在CVD过程中，MoS₂纳米片被蚀刻成小块，并与Nb₄N_5-xO_x共价连接，形成精细的Nb4N_5-xO_x-MoS₂/NG异质结构，具有丰富的界面和完全暴露的边缘活性位。Nb4N_5-xO_x-MoS₂/NG异质结构材料具有丰富的电子密度，并且对H和水均表现出良好的化学吸附能力，显著提高了其内在活性。同时，该异质结构材料和N掺杂石墨烯的化学耦合也有效提升了纳米复合材料的结构稳定性，保证了电子的快速转移的同时进一步促进了催化材料的产氢效率和稳定性。

【图文导读】

图1 Nb₄N_5-xO_x-MoS₂异质材料的合成与表征1

图2 Nb₄N_5-xO_x-MoS₂异质材料的合成与表征2

图3

图4

图5

【小结】

  本文采用水热法和化学气相沉积法合成了一种多孔Nb₄N_5-xO_x-MoS₂/NG纳米复合材料，其中MoS₂纳米片被蚀刻并与Nb₄N_5-xO_x共价连接，形成了具有丰富缺陷的精细Nb₄N_5-xO_x-MoS₂/NG异质结构。Nb₄N_5-xO_x-MoS₂/NG异质结构与NG片之间的化学耦合保证了其导电性和稳定性。Nb₄N_5-xO_x-MoS₂/NG纳米复合材料在酸性（低η₁₀=39 mV， Tafel斜率为30 mV dec^-1）和碱性（η₁₀=67 mV，Tafel斜率为44 mV dec^-1）介质中具有丰富的活性位点，显示出优异的稳定性和活性。超高的HER活性是由于Nb₄N_5-xO_x-MoS₂/NG复合材料中含有丰富的电子和共价连接的Nb-(N,S)-Mo界面，优化了ΔG(H)，提高了水的吸附性能。因此，本工作对Nb₄N_5-xO_x-MoS₂强电子耦合的探索和理解，为开发低成本、高效、稳定的可再生能源催化剂提供了一个有希望的方向。

文献链接：Covalently  Connected  Nb₄N_5-xO_x-MoS₂ Heterocatalysts with Desired Electron Density to Boost Hydrogen Evolution, 2020, ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.0c01072.