基于Pt的電催化劑具有卓越的催化性能，具有低過電位、快速的電荷傳輸動力學和長耐久性。不幸的是，由于資源有限和堿性溶液活性差，Pt基催化劑無法滿足水電解器和燃料電池日益增長的需求。在各種非貴金屬催化劑中，碳化鉬（MoC、Mo2C）因其與Pt相似的d帶電子結構而成為很有前途的HER催化劑。然而，MoC或Mo2C的HER催化活性尚未達到接近Pt的預期性能。元素摻雜或材料復合是通過調整MoC和Mo2C的結構來改善其催化活性的常見方法，從而為HER創建更活躍的位點。最近，MoC-Mo2C復合粉末催化劑的電催化活性有所提高。然而，基本機制仍然不清楚。此外，粉末狀碳化鉬復合催化劑在室溫下以相對較低的電流密度（20 mA cm-2）運行，穩定時間低于30小時，這無法滿足工業應用的要求。因此，探索可在工業水電解器上高電流密度（400-600 mA cm-2）和高工作溫度（~70°C）下運行，具有增強魯棒性、高催化活性、長壽命和優越穩定性的碳化鉬的合成新方法非常重要。
成果簡介
基于以上考慮，武漢大學汪的華教授、尹華意教授和郭宇錚教授等人在Nature Communications上發表文章“A durable and pH-universal self-standing MoC-Mo2C heterojunction electrode for efficient hydrogen evolution reaction”，開發了基于MoC-Mo2C異質結作為電解水的析氫電極，在酸和堿體系中都實現了長壽命和高性能。▲催化劑合成過程示意圖在這項工作中，用熔融碳酸鹽電解法，作者在熔融碳酸鹽中的Mo板上制備了一個自支撐的MoC-Mo2C異質結催化層，通入的CO2被電化學還原為C，與Mo襯底同時反應，形成多孔的MoC-Mo2C異質結催化層。與使用惰性襯底的傳統方法不同，熔融碳酸鹽電解法使用參與碳化物層形成的活性襯底（例如Mo），從而確保Mo襯底與MoC-Mo2C異質結層之間的牢固連接。因此，一步制備的電解MoC-Mo2C異質結層足夠堅固，可以在500 mA cm-2的高電流密度下工作，在酸性和堿性條件下的過電勢分別為256 mV和292 mV，在~70°C的工業工作溫度下工作，析氫過電位進一步降低。該電極還具有超高的電化學和機械穩定性，在酸堿電解液中連續電解測試2400小時(100天)性能保持穩定。這要歸功于自支撐的親水多孔表面、本征機械強度和自生MoC（001）-Mo2C（101）異質結。基于密度泛函理論（DFT）的電子結構計算揭示了MoC-Mo2C異質結增強HER性能的潛在機制。在酸性條件下ΔGH*值?0.13 eV，堿性溶液中水解的能壘為1.15 eV。作者還制備大型電極（3 cm×11.5 cm）證明了這一制備結構合理、成分可調和良好性能的各種碳化物電極的合成過程的可擴展性。碳酸鹽電解法被證明是調控表面親水性（接觸角約為32°）、催化層成分以及表面形貌的有效表面工程方法。總體而言，實驗和理論研究都證實，電解MoC-Mo2C異質結是在模擬工業運行條件下生產H2的有前途的低成本催化劑。
Liu, W., Wang, X., Wang, F. et al. A durable and pH-universal self-standing MoC-Mo2C heterojunction electrode for efficient hydrogen evolution reaction. Nat Commun 12, 6776 (2021).
