应用成果

第一作者：赵展

通讯作者：孟祥超教授

通讯单位：中国海洋大学

论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51976-5

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过渡金属Mo基合金因其可调的化学组成、电子结构以及高度的稳定性，被广泛研究并用作析氢电催化剂。通常，在合成过程中，高温（> 1300 K）能够促进合金的形成，为原子分散提供活化能，但也容易引起热力学驱动的原子聚集，进而影响电化学活性与稳定性。基于此，中国海洋大学孟祥超教授课题组提出了利用快速焦耳加热技术精确诱导RuMo合金的形成，实现了RuMo纳米合金在MoO2基底的高分散性构筑，从而合成高活性、高稳定性的合金电催化剂。

背景介绍

氢能作为一种低碳高效的清洁能源，在全球能源转型和应对气候变化方面扮演重要角色。按照制氢的三种方法，氢能分为灰氢、蓝氢、绿氢。其中，以可再生能源电解水制氢为代表的绿氢在生产过程中不产生温室气体，被广泛视为实现碳中和目标的重要路径之一。阴离子交换膜（AEM）制氢技术被认为是集碱性电解水（ALK）与质子交换膜电解水（PEM）优势于一体的第三代电解水制氢技术，具有高效率、低成本、快速启停等优势，但在大电流密度下电解槽系统活性和稳定性不足限制了其产业化应用。因此，开发大电流密度下高活性、性能稳定的碱性析氢催化剂是AEM制氢技术亟待解决的核心问题之一。过渡金属Mo基合金因其可调的化学组成、电子结构以及高度的稳定性，被广泛研究并用作析氢电催化剂。通常，在合成过程中，高温（> 1300 K）能够促进合金的形成，为原子分散提供活化能，但也容易引起热力学驱动的原子聚集，进而影响电化学活性与稳定性。

本文亮点

1.本工作提出利用新型快速焦耳加热技术合成调控制备Mo基合金电催化剂，有效避免了长时间加热所导致的催化剂凝结、氧化等问题，为精准化合成高性能、高稳定性的合金电催化剂提供新思路。

2.通过材料表征证实催化剂为RuMo合金纳米颗粒负载于MoOx的复合材料。所制备的催化剂在碱性环境中表现出优异的稳定性(2000 h @ 1000 mA cm-2)和活性(9 mV @ 10 mA cm-2)。

3. 本文结合一系列实验表征与理论计算结果证明，通过焦耳加热策略引入Ru元素后，催化剂的空位形成能（9.36 eV）以及Mo-o*反键能级能够得到有效的增加和提高，从而抑制了Mo元素的溶解，提升催化剂的稳定性。并且，借助于RuMo纳米合金引入的不对称电场，能够有效调控界面水网络，促使快速的OH转移动力学，进而在电解水制氢方面表现出优异性能。

图文解析

我们提出了一种新型快速焦耳加热技术合成调控制备Mo基合金电催化剂，有效避免了长时间加热所导致的催化剂凝结、氧化等问题。XPS和同步辐射结果有效地证明了RuMo合金的成功制备。

结果表明，合成催化剂具有全pH应用潜力(在1 M KOH, 1 M PBS, 0.5 M H2SO4溶液中的析氢过电位分别为9 mV @ 10 mA cm-2, 18 mV @ 10 mA cm-2和15 mV @ 10 mA cm-2)，并在碱性环境中表现出优异的稳定性(2000 h @ 1000 mA cm-2)。RuMo合金催化剂的引入实现了AEM电解槽（RuMo@MoOx-JH（-）||NiFe-LDH（+））的低能耗制氢（3.82 kW h m-3 @ 300 mA cm-2）。

总结与展望

本工作提出利用一种新型快速焦耳加热技术合成调控制备Mo基合金电催化剂，其在电解水制氢方面表现出优异性能（1 M KOH: 256 mV @ 2A cm-2）。这项工作为高分散纳米合金的制备提供了一种普适性的构筑方案，同时，也为理解电催化制氢反应过程机制提供了更多的理论依据。

作者介绍

通讯作者：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。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。

课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/Meng_Xiangchao

赵展 中国海洋大学化学化工学院在读博士生。研究方向为新型电催化裂解海水制氢催化剂的设计与合成。

参考文献：

Zhao, Z., Sun, J., Li, X. et al. Engineering active and robust alloy-based electrocatalyst by rapid Joule-heating toward ampere-level hydrogen evolution. Nat Commun 15, 7475 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41467-024-51976-5