孙宏滨教授，胡建设教授，梁琼麟教授，杨阳教授，Small观点：铁能够催化级联构建碳化钼异质界面并理解在界面上的析氢反应- 大数跨境

首页

孙宏滨教授，胡建设教授，梁琼麟教授，杨阳教授，Small观点：铁能够催化级联构建碳化钼异质界面并理解在界面上的析氢反应

科学材料站

2022-04-04

导读：该观点文章报道了一种铁催化级联形成异质界面的策略，并提出了析氢反应在MoC-Mo2C界面上的单分子吸附路径和双分子吸附路径。

文章信息

铁催化级联构建碳化钼异质界面用于理解析氢反应

第一作者：胡泽楠

通讯作者：孙宏滨*，胡建设*，梁琼麟*，杨阳*

单位：东北大学，清华大学，中佛罗里达大学

研究背景

可持续的氢气生产是补充可再生能源不连续性的有前景的解决方案。虽然Pt基材料被认为是电催化析氢反应（HER）的最佳催化剂，但非贵金属异质结构催化剂有望克服贵金属铂的高成本和稀缺储量。最近的研究证明了异质结构催化剂比相应的单个材料更有效，也证明了 HER 经常发生在不同非贵金属化合物之间的异质界面处。

Mo₂C基催化剂由于具有与金属Pt相似的d带电子结构和费米能级的优点而受到广泛关注。然而，由于Mo₂C表面的Mo原子具有高密度的空d轨道，有利于形成强Mo-H键，所以H*吸附的吉布斯自由能（△GH*）相当负，且Volmer 步骤之后的 Heyrovsky/Tafel 步骤需要相当大的能量势垒。因此，用另一种组分掺杂Mo₂C催化剂是一种被广泛接受的方法，可以削弱H与Mo₂C的结合，从而提高 HER 活性。

目前，已经开发了许多用于制造异质结构催化剂的构建方案。一种有前途的方法是在β-Mo₂C表面上制造尽可能多的异质界面。然而，要实现在异质结构催化剂中产生足够多的异质界面的目标是非常困难的，这是因为晶体的生长具有自净化的性质，因此需要合理的设计和恰当的控制。在这个工作中，提出了一种铁催化形成异质界面的策略，并开发出了具有MoC-Mo₂C 异质界面的催化剂。该催化剂是通过对三聚氰胺、四水合钼酸铵和乙酰丙酮铁的混合物进行简单热处理来合成的。

碱性水电解左右滑动查看更多

文章简介

本文中，来自东北大学的孙宏滨教授，胡建设教授与清华大学的梁琼麟教授和中佛罗里达大学的杨阳教授合作，在国际知名期刊Small上发表题为“Iron Catalyzed Cascade Construction of Molybdenum Carbide Heterointerfaces for Understanding Hydrogen Evolution”的观点文章。该观点文章报道了一种铁催化级联形成异质界面的策略，并提出了析氢反应在MoC-Mo₂C界面上的单分子吸附路径和双分子吸附路径。

图1. 催化剂Fe-MoC/β-Mo₂C@NC的合成，以及在MoC-Mo₂C异质界面上的析氢反应示意图

本文要点

要点一：铁能够催化MoO₂原位转化为MoC，然后是Mo₂C

在分别从500^oC到900 ^oC制备出的未掺杂铁的催化剂，随着温度的升高，MoO₂逐渐转化为MoC。MoO₂在700^oC以上完全转化为MoC，但即使在900^oC时，Mo₂C仍然是微量的。相反，使用Fe掺杂，随着温度的升高，MoO₂首先转化为 MoC，然后转化为Mo₂C，然后甚至在800^oC下可完全转化为β-Mo₂C。在这个过程中，在600 ^oC时显示出MoO₂和MoC共存，在700^oC时显示出MoC和β-Mo₂C共存。这导致会形成MoO₂-MoC和MoC-Mo₂C异质界面。

要点二：MoC-Mo₂C异质界面可以降低决速步的能垒

无论在酸性电解质还是在碱性电解质中，具有MoC-Mo₂C异质界面的Fe-MoC/β-Mo₂C@NC催化剂可展示出最好的HER性能。密度泛函理论计算进一步对比了酸性 HER和碱性HER分别在纯 MoC、纯 Mo₂C、和 MoC-Mo₂C 表面上的自由能分布。结果表明无论在酸性还是在碱性电解质中，MoC-Mo₂C异质界面的决速步能垒是最低的。

要点三：HER在MoC-Mo₂C异质界面上的单分子吸附路径比双分子吸附路径优先

单分子吸附的Volmer-Heyrovsky-Rideal路径描述了吸附在表面的物质与自由分子之间的反应。另一个双分子吸附的Volmer-Heyrovsky-(Langmuir-Hinshelwood) 路径描述了在相邻位置上的两个吸附物质之间的表面反应。根据计算的结果，无论在酸性还是在碱性条件下，服从Volmer-Heyrovsky-Rideal机制的MoC-Mo₂C异质界面催化HER的决速步能垒（酸中为0.55 eV，碱中为0.49 eV）比通过Volmer-Heyrovsky-(Langmuir-Hinshelwood)机制更低（酸中为0.57 eV，碱中为0.51 eV）。这表明MoC-Mo₂C异质界面上优选的反应途径是Volmer-Heyrovsky-Rideal机制。

文章链接

Iron Catalyzed Cascade Construction of Molybdenum Carbide Heterointerfaces for Understanding Hydrogen Evolution

https://doi.org/10.1002/smll.202200439

通讯作者简介

孙宏滨教授博导

孙宏滨，东北大学理学院化学系教授，博士生导师（课题组主页:https://www.x-mol.com/university/faculty/49902）

孙宏滨教授课题组目前的科研工作主要有以下几个方向：一是催化合成反应方法的研究，包括C-X（X=C, N, O）键的生成及杂环合成；二是致力于催化氢转移反应催化剂的开发，合成各种新型的复合纳米粒子作为催化材料，并深入研究反应的内在机制；三是研究电催化反应，开发新的电极材料以及反应工艺用于获取储能物质或化学品的增值；四是水中重金属污染物的去除及资源化利用；五是新型有机电池材料的开发。以通讯作者在Nature. Commun., Adv. Funct. Mater., Small., Chem. Eng. J., Green Chem., Nano Res., ACS Appl. Mater. Interfaces, Chem. - Eur. J. 等发表论文100余篇。

胡建设博士教授博导

胡建设，博士，东北大学教授，博士生导师，现任液晶功能高分子科学与工程辽宁省重点实验室主任。任中国生物材料协会高分子生物材料分会第一届常务委员、中国再生资源产业技术创新战略联盟专家委员会委员、辽宁省组织工程与再生医学专业委员会副主任委员。入选教育部新世纪优秀人才支持计划、辽宁省百千万人才工程百人层次、中国科协首批高层次人才、辽宁省普通高等学校优秀青年骨干教师、沈阳市高层次领军人才等。目前主要从事生物医用高分子材料、环境功能复合材料、阻燃高分子等方向的研究。承担过国家863、国家自然科学基金及省部级等课题；获授权发明专利13项；在《Advanced Materials》，《Journal of Materials Chemistry A》，《ACS Applied Materials & Interfaces》，《Acta Biomaterialia》，《Macromolecules》等期刊上发表SCI收录130余篇；获国家技术发明二等奖1项（排序第四），辽宁省自然科学一等奖1项（排序第三）。

梁琼麟教授

梁琼麟，清华大学长聘教授、教育部长江学者特聘教授。梁琼麟教授课题组以微流控芯片及其与质谱、光谱联用分析技术为基础，发展生命分析与药物分析新方法，开发生物医用新材料新器件，发明器官类器官芯片新模型，致力于服务国家药品质量与安全、新药创制以及中药现代化研究与开发。近年来重点聚焦于器官类器官芯片、单细胞亚细胞分析及基于质谱的多组学分析等。曾主持完成国家重大科技专项第一个微流控芯片药物研发关键技术项目，在器官芯片核心关键技术及血管、肝、肾、肠等器官芯片模型研究方面取得重要进展。申请并获得发明专利近20项，在国际重要学术期刊上发表论文200余篇，部分研究成果已在制药企业、临床医院得到广泛应用，曾合作获得国家科技进步二等奖3项。

杨阳副教授

杨阳, 现任中佛罗里达大学（UCF）纳米科学技术中心副教授，同时受聘于UCF材料科学与工程系和化学系（课题组主页：http://www.yangyanglab.com）。杨教授2010年于清华大学获博士学位，2010-2012年于德国埃尔兰根-纽伦堡大学（University of Erlangen-Nuremberg）任洪堡学者。2012-2015年由Peter M. & Ruth L. Nicholas 博士后项目资助于美国莱斯大学（Rich University）从事博士后研究。以通讯作者在Nature Energy，Nature. Commun., Adv. Mater.，Adv. Energy. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.，Energy Environ. Sci. J. Am. Chem. Soc.等发表论文100余篇。研究兴趣包括能源材料和器件的表面和界面电化学、材料科学、纳米制造、电化学工程和纳米科学技术。课题组现有全奖博士（2-4名）以及博士后（2-3名）位置，欢迎具有电化学、材料化学、物理化学、电催化、光/热催化、电池等背景的优秀青年志士加盟。