华科大姚永刚、夏宝玉 ACS Nano：过饱和掺杂实现高活性高稳定OER

第一作者：刘瀚文 石文辉

通讯作者：姚永刚*，夏宝玉*

单位：华中科技大学

碱性OER因其高腐蚀，高电位的工作环境使开发兼具高活性和高稳定性的非贵金属催化剂具有相当难度。金属-载体相互作用（MSI）是一种泛用的提高催化活性和稳定性的方法。然而，由于晶格失配和溶解度差，传统催化剂通常表现出有限的界面和相互作用，从而削弱了催化性能的提升。本研究通过非平衡的碳热冲击合成方法，实现了过渡金属碳化物的过饱和掺杂，显著提高了催化剂的活性和稳定性。

最近，华中科技大学的姚永刚教授和夏宝玉教授合作，在国际知名期刊ACS Nano上发表了题为“Supersaturated Doping-Induced Maximized Metal−Support Interaction for Highly Active and Durable Oxygen Evolution”的研究论文。该研究通过非平衡碳热冲击法（CTS）制备了过饱和掺杂Mo₂C（SD-Mo₂C）实现了约20% NiFeCo掺杂，显著超过了热力学平衡极限。这种超饱和掺杂确保了更多的催化活性NiFeCo与Mo₂C的充分相互作用，从而实现了最大化的金属-载体相互作用（Max-MSI）。Max-MSI在碱性氧析出反应中表现出良好的活性和稳定性，在100 mA cm−2电流密度下过电位为284 mV，并且能够稳定运行700小时。该研究证明了过饱和掺杂可以在Mo₂C中实现最大化的金属-载体相互作用并有效增强催化剂的活性和稳定性，为设计新型催化剂提供新的思路。

为了增强掺杂原子与支撑原子的相互作用，需要在每个晶胞中至少存在一个异质原子来激活并稳定Mo₂C中的钼原子。根据Ni-Mo₂C的伪二元相图，在1250°C的平衡条件下，Ni在Mo₂C中的最大掺杂量约为8%。通过非平衡态的碳热冲击合成方法，实现了NiFeCo在Mo₂C中的超饱和掺杂，合成了均匀分散的固溶体结构，增强了金属-载体相互作用，显著提升了催化剂的氧进化反应活性和稳定性。

采用CTS成功制备了SD-Mo₂C催化剂。XRD分析表明，NiFeCo掺杂比例增加Mo₂C导致晶格参数变化，20%掺杂时晶格收缩最大。此外，该方法还普适合成了其他超饱和掺杂过渡金属碳化物，证实了CTS的高效性和普适性。

通过透射电子显微镜（TEM）观察到均匀尺寸的SD-Mo₂C纳米粒子，晶格间距为0.212纳米，对应于正交Mo₂C晶体的(200)晶面。能量色散X射线（EDX）光谱映射确认了元素在SD-Mo₂C均匀分布。X射线光电子能谱（XPS）分析揭示了SD-Mo₂C的元素价态和电子结构，表明NiFeCo的掺杂显著降低了Mo的费米能级，且SD-Mo₂C与管式炉制备的异质碳化钼（H-Mo₂C）相比，显示出更强的NiFeCo与Mo₂C支撑之间的相互作用。

Mo₂C和Ni2FeCo均表现出较低的OER稳定性，将二者简单组合成异质结构也不能增强稳定性，只有将NiFeCo过饱和掺杂进入Mo₂C才能实现高稳定性。密度泛函理论（DFT）计算揭示了Ni、Co和Fe异质原子的引入提高了Mo的空位形成能增强了材料的热力学稳定性。经过重构后，SD-Mo₂C催化剂表面形成了一层致密的羟基氧化物保护层，有效防止了碱液对材料的侵蚀，增强了材料的动力学稳定性。

姚永刚，华中科技大学教授，华中学者，国家四青人才。师从美国马里兰大学胡良兵教授，并与多名国内外学者合作学习。长期从事瞬态高温合成与制造技术，特别是能源材料的设计开发与快速制造，助力国家能源转型及碳中和战略。成果在《Science》(封面)、《Science》(综述)、《Nature》、《Nat. Nano.》、《Nat. Cata.》等期刊发表，论文总被引用10000余次，入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”及科睿唯安“高被引科学家”榜单，并获得美国“2020 R&D 100 award”，2022 Metals Young Investigator Award，2022届阿里达摩院“青橙奖”（化学材料类）及《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”中国区先锋者称号。课题主页：https://www.x-mol.com/groups/yao-hust

夏宝玉，男，博士，教授/博士生导师，2010年毕业于上海交通大学，获得博士学位。2011-2016年在新加坡南洋理工大学从事博士后研究工作，2016年入职华中科技大学，入选中组部第十二批“计划”。主要从事结构功能材料的设计及其在能源、环境等领域应用的教学与研究工作。

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