莆田学院易明杰教授/哈工大（深圳）张嘉恒教授J. Colloid. Interf. Sci.:在Mo2CTx表面合成 N、F 和 B 共掺杂的BiOBr/Bi2Se3异质结以提高析氢反应和超级电容器的性能

• 导读

在电化学析氢和超级电容器方向，铋基材料是一种拥有特殊电子性质的拓扑绝缘体，具有极高的电导率和自旋-轨道耦合性质，引起了研究者们广泛的兴趣。但是由于其较差的反应动力学和不足的活性位点，使其在电化学析氢和超级电容器方向中性能的提升存在瓶颈。针对以上问题，可以考虑掺入杂原子或者形成与异质结结构，使其局部电荷分布优化，生成缺陷，从而提高铋基材料反应动力学和活性位点数量。因此，合适的掺杂剂和异质结合成方式，成为研究者们的探索热点之一。

• 成果掠影

近日，莆田学院的易明杰教授、哈尔滨工业大学（深圳）的张嘉恒教授和朱振业副教授，采用离子液体辅助合成法合成了N、B、F掺杂的BiOBr材料，并将其负载在Mo₂CT_x上，然后通过进一步硒化处理形成了N、B、F掺杂的BiOBr/Bi₂Se₃异质结构。杂原子的掺杂和异质结结构优化了材料的电子结构，从而降低了OH^-/H^*吸附能。在HER测试中，NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x在酸性介质中表现出优异的催化性能，只需要109 mV 的过电位就能达到10 mA cm^-2的电流密度。在超级电容器测试中，当电流密度为1 A g^-1时，NBF-BiOBr/B_i2Se₃/Mo₂CT_x电极的比容量为637 F g^-1。该成果以莆田学院为第一单位以题目“Ionic liquid-assisted synthesis of N, F, and B co-doped BiOBr/Bi₂Se₃ on Mo₂CT_x for enhanced performance in hydrogen evolution reaction and supercapacitors”发表在中科院一区期刊Journal of Colloid And Interface Science上。

• 核心创新点

该工作以离子液体作为掺杂剂，合成了杂原子（N、B、F）掺杂的BiOBr/Bi₂Se₃异质结构，优化了该材料的电荷分布和活性位点数量，使其在析氢反应和超级电容器测试中具有优异的性能。

• 数据概览

图1 (a)合成示意图；(b)Mo₂CT_x、(c)NBF-BiOBr、(d)NBF-BiOBr/Mo₂CT_x、(e)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x的SEM图像；(f)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x的元素映射图像；(g)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x与NBF-BiOBr/Mo₂CT_x的XRD图像；(h)BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、(i)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x的水接触角；NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x的(j, k)TEM图像、(l)高分辨率TEM图像。

图2  NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x(a)Bi 4f、(b)Br 3d、(c)O 1s、(d)Se 3d、(e) B 3d、(f)N 1s、的XPS图谱。

图3  NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、NBF-Bi₂Se₃/BiOBr、NBF-BiOBr/Mo₂CT_x、BiOBr/Mo₂CT_x在0.5 M H₂SO₄中的(a)HER极化曲线；(b)Tafel图、(c)计算的电化学参数；(d)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x在不同扫描速率(10–100 mVs^-1)下的色谱图，用于估计0.5 M H₂SO₄中的C_dl和相对电化学活性表面积；NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、NBF-Bi₂Se₃/BiOBr、NBF-BiOBr/Mo₂CT_x、 BiOBr/Mo₂CT_x在0.5 M H₂SO₄中(e)的C_dl和标准化电化学活性比表面积以及(f)用ECSA归一化的LSV曲线；(g)在-10mA cm^-2的电流密度下，NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x上产生的气体的测量和计算量；(h)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x与参考电催化剂在酸性溶液中的HER超电势的比较；(i)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x在0.5 M H₂SO₄中1000次循环伏安(CV)循环前后的极化曲线；(j)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x在-10 mA cm^-2下在0.5 M H₂SO₄中36小时后的循环稳定性；(k)HER后的SEM图。

图4  (a)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x在不同扫描速率(5–100 mVs^-1)下的CV曲线；(b)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、NBF-Bi₂Se₃/BiOBr、NBF-BiOBr/Mo₂CT_x、 BiOBr/Mo₂CT_x的CV曲线对比；(c)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x在不同扫描速率(1–20 Ag^-1)下的GCD曲线；(d)CP对比曲线；

NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、NBF-Bi₂Se₃/BiOBr、NBF-BiOBr/Mo₂CT_x、 BiOBr/Mo₂CT_x的(e)倍率性能对比、(f)EIS性能对比图、(g)循环稳定性；(h)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x循环后的SEM图；(i)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x与参考电极材料的容量比较。

图5 (a)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、NBF-Bi₂Se₃/BiOBr、NBF-BiOBr/Mo₂CT_x、 BiOBr/Mo₂CT_x的球杆模型；(b)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x的电子密度插差图；(c)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、(d)BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、(e)NBF-BiOBr/Mo₂CT_x、 (f)NBF-Bi₂Se₃BiOBr/Bi₂Se₃、(g)BiOBr/Mo₂CT_x的总态密度(TDOS)；(h)H*吸附后五种材料的球和棒模型；(i)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、NBF-Bi₂Se₃/BiOBr、NBF-BiOBr/Mo₂CT_x、 BiOBr/Mo₂CT_x反应能量学；(j)OH^-吸附后五种材料的球和棒模型；(k)NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x、NBF-Bi₂Se₃/BiOBr、NBF-BiOBr/Mo₂CT_x、 BiOBr/Mo₂CT_x的E_OH-值。

• 成果启示

在这项研究中，我们利用离子液体辅助合成法制造了一种NBF-BiOBr/Bi₂Se₃异质结构，并将其负载到Mo₂CT_x上。异质结的形成和杂原子的掺入调节了界面电子结构，从而降低OH^-和H^*的吸附能。由于这些优势，NBF-BiOBr/Bi₂Se₃/Mo₂CT_x在HER和超级电容器测试中都表现出了优异的性能。这种离子液体辅助合成方法同时实现了杂原子掺杂和异质结的形成，为制备先进催化剂和电极的开发提供了指导意见。