专业科学仪器及设备制造商
第一作者：孙建鹏
通讯作者：孟祥超
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.123015
全文速览
在此，我们通过快速焦耳加热方法，仅用130秒就成功在泡沫镍上制备了晶格匹配良好的Co2Mo3O8/MoO2异质界面。值得注意的是，快速焦耳加热可以有效避免长时间加热引起的催化剂氧化，并获得丰富不配位Mo4+位点，这有助于提高HER的电催化性能。制备的Co2Mo3O8/MoO2具有与Pt基电催化剂相当的HER活性（在10 mA cm−2下为23 mV）。同时样品在200小时的测试中也显示出在碱性海水电解中优异的稳定性。值得注意的是，太阳能驱动的H2O-H2电解槽还显示出12.4%的太阳能-氢气（STH）效率。国产阴离子交换膜（AEM）海水电解槽的池电压在50°C下200 mA·cm−2时仅为2.13 V，生产1 m3 H2仅需4.7 kW-h。DFT计算表明，电子自发分布在Co2Mo3O8/MoO2异质界面的Co–O–Mo键上，可以调节Mo位点的电子结构和d带中心，从而实现H2O在Mo位点的高效吸附和O位点接近零的氢吸附自由能。这项研究提供了一种通过焦耳热调节化学态的新策略，以高效分解海水释放H2。
背景介绍
电催化海水分解作为一种有效的氢气生产方法，被认为是解决淡水短缺危机和满足未来全球能源需求的一种很有前途的替代方案。二氧化钼（MoO2）作为HER电催化剂，以其良好的导电性、耐腐蚀性而日益受到人们的关注。然而，由于暴露不足和活性位点反应动力学差，MoO2的电催化活性需要进一步提高才能得到广泛应用。通常，MoO2的电催化活性由水的吸附和氢从表面Mo位点或O位点的解吸决定。界面工程作为一种有效的方法，可以直接调节界面上的Mo-O键，然后调整结合能，从而加速H2的产生。
近年来，焦耳热效应被应用于快速合成新材料，材料可以在超高温（＞2000 K） 短时间内（≈12 ms）快速合成，并避免在长时间加热过程中活性位点的堆积。同时，快速冷却也容易导致结构畸变和晶格应变，从而提供丰富的不配位催化位点。因此，快速焦耳加热有望弥补传统加热过程中催化剂界面上活性位点的氧化、聚集和失活问题，并可能实现丰富的不配位Mo位点。然而，尚未对焦耳加热效应进行相关研究来设计和合成MoO2基电催化剂。此外，泡沫镍（NF）和泡沫铜（CF）的使用可以有效地避免粉末催化剂容易脱落的问题。三维（3D）形态、空穴结构和导电基底可以提高比表面积，加速电子转移，增加活性位点，有利于H2的释放。
研究目标
在这里，我们通过快速焦耳加热构建了一种新型的在泡沫镍上晶格匹配良好的富含非配位Mo4+位点的Co2Mo3O8/MoO2/NF电催化剂。在焦耳加热过程中，Co2Mo3O8/MoO2/NF暴露出丰富的Co2Mo3O8和MoO2相容界面和晶格位错，这可以导致异质界面上的电子重排，增强界面上的Mo-O键，从而优化活性位点的活性。结果表明，Co2Mo3O8/MoO2/NF在海水裂解和阴离子交换膜（AEM）海水电解槽中表现出优异的HER活性和稳定性。最后，通过实验和理论研究，探讨了制备样品的机理。
总结与展望
总之，通过快速焦耳加热和氢还原方法在泡沫镍基底上制备了晶格匹配良好的Co2Mo3O8/MoO2异质界面。高温快速处理促进了晶格匹配的Co2Mo3O8/MoO2/NF的形成，增强了丰富的非配位Mo4+位点，调节了O原子的电子结构。电化学测量表明，Co2Mo3O8/MoO2/NF提供了较低的过电位。
通讯作者简介：
孟祥超教授：中国海洋大学化学化工学院教授、博士生导师。本科毕业于中国海洋大学，硕士和博士毕业于加拿大渥太华大学。之后，作为兼职助理教授在加拿大渥太华大学任教，以博士后的身份在加拿大滑铁卢大学从事研究工作。2019年全职加入中国海洋大学。主要研究方向：光电催化裂解海水制氢；光催化/电催化CO2还原、固氮及新型光电催化反应器设计及开发。在光电催化领域发表学术论文60余篇。
