华中科技大学钱立华课题组ACB：界面处局域微环境对Co3Mo合金析氢性能影响的研究

第一作者：李志文

通讯作者：钱立华*，李松*，郭俊杰*

单位：华中科技大学

绿色氢能源作为全球可再生和可持续能源，开发高效低成本的生产方式至关重要。因此，高电流密度和高耐久性的阴离子交换膜（AEM）电解槽成为科学和工业方面亟需解决的问题。到目前为止，由于碱性电解液中质子浓度低，导致催化活性低，AEM电解槽发展得到限制。因此，开发非贵金属并且具有高催化活性和耐久性的催化剂迫在眉睫。

近日，来自华中科技大学的钱立华教授与太原理工大学的郭俊杰教授合作，在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy上发表题为“Superior activity and durability of Co₃Mocorrelated with interfacial microenvironment for hydrogen evolution”的观点文章。该文章研究了Co₃Mo催化剂界面阴离子（Mo₂O₇^2-和MoO₄^2-）对催化性能的影响。这项研究为基于钼基合金的工业化电解槽提供了一条战略性的科学途径。

通过理论计算预测了Co₃Mo合金界面处MoO₄^2-和Mo₂O₇^2-离子对HER反应能垒的影响。Mo₂O₇^2-的吸附可以有效地改善反应动力学和催化活性，这是由于阴离子与活性位点之间电子相互作用的贡献。根据d带中心理论，与纯Co₃Mo合金相比，表面吸附Mo₂O₇^2-的Co₃Mo对中间体*H具有更小的吸附能，这往往有助于提高HER性能。

实验结果证实，通过调节界面微环境同时提高Co₃Mo微米棒阵列（MRA）的催化活性和耐久性。原位拉曼光谱显示，在HER过程中，Co₃MoMRA中Mo原子溶出形成MoO₄^2-，随着电位负移，MoO₄^2-可以进一步二聚形成Mo₂O₇^2-。我们进一步建立催化剂界面Mo₂O₇^2-与MoO₄^2-比例和HER电流密度之间的关系以实现电解液和催化剂界面高效地匹配。在传统的三电极系统中，当电解液中MoO₄^2-离子浓度为13.4 mM时，Co₃Mo界面上Mo₂O₇^2-二聚体的比例最佳。在这些条件下，在100 mA cm^-2的电流密度下，过电势仅为78 mV。

得益于Co₃MoMRA在三电极系统中优越的HER性能，我们使用Co₃Mo作为阴极，RuO₂作为阳极来组装AEM电解槽，以测试其实际应用能力。在电流密度为2.0 A cm^-2时，电解槽电压低至1.88 V。在0.5 A cm^-2的电流密度下运行325 h后，电解槽电压几乎没有增加。界面Mo₂O₇^2-阴离子的高比例可以有效抑制OH－对HER活性原子的腐蚀由于静电排斥作用。

钱立华，博士毕业于中国科学院金属研究所，现为华中科技大学物理学院教授。曾经在日本东北大学、内华达大学、霍普金斯大学从事合作研究。2020年被聘为湖北黄石市十大产业首席专家，2022年被湖北省科技厅推荐为科技特派员。一直从事低维材料的电子态调控等方面研究。目前共主持国家自然科学基金、教育部基金、湖北省自然科学基金、横向技术开发课题10余项、参与科技部重点研发1项。担任Journal of Renewable Materials的编委，已经在Adv. Funct. Mater., Nat. Sci. Rev.等国际权威学术期刊上发表论文60余篇，总引用数超过5000次。