宫建茹研究员，JMCA观点：原位生长的金属碳化物三维电极高效HER催化- 大数跨境

首页

宫建茹研究员，JMCA观点：原位生长的金属碳化物三维电极高效HER催化

科学材料站

2021-07-02

导读：。该文章提出了利用原位生长构建金属碳化物三维电极用于HER的策略。最终产物其中MoxCoyC/NF电极在10 mA cm-2的过电势仅低于商业铂碳电极6 mV。

文章信息

原位生长的金属碳化物三维电极高效HER催化

第一作者：吕延龙

通讯作者：宫建茹*

单位：国家纳米科学中心，中国科学院大学

研究背景

金属碳化物具备与贵金属类似的电子构型和高导电性，是非常最具潜力的HER催化剂之一。然而，现有的制备金属碳化物的策略，其产物大多为传统的粉体材料。相较于粉体材料，三维电极具有丰富的活性位点，较高的质量负载，原位生长的方式无需额外的粘结剂，并且活性物质与基底的结合更为紧密。

本文提出了一种原位生长的金属碳化物三维电极作为高效HER催化剂的策略。最终产物MoxCoyC/NF电极在10 mA cm-2的过电势仅低于商业铂碳电极6 mV，展现了非常高的HER催化活性。通过对产物的相应结构表征和电化学测试，我们进一步分析了材料高活性的原因。

本文提供了一种新型的、普适性的制备金属碳化物三维电极的策略，有助于高效HER催化剂的发展及实际应用。

文章简介

本文中，来自国家纳米科学中心的宫建茹研究员，在国际知名期刊journal of chemistry A上发表题为“In-situ growth of MOF derived ultrafine molybdenum carbides nanoparticles supported on Ni foam as efficient hydrogen evolution electrocatalysts”的文章。

该文章提出了利用原位生长构建金属碳化物三维电极用于HER的策略。最终产物其中MoxCoyC/NF电极在10 mA cm-2的过电势仅低于商业铂碳电极6 mV。同时，该策略同样可以制备碳化钨电极，因此具有普适性，有望为金属碳化物电极的发展做出贡献。

图1. CoMo MOF/NF的合成示意图

本文要点

要点一：原位生长的金属碳化物三维电极

碳化物是极具潜力的HER催化剂。在现有的制备金属碳化物的策略中，其产物大多为粉体材料。为制备金属碳化物三维电极，我们提出一种原位生长的办法。

首先，在三维基底，如泡沫镍上，沉积双金属（钴、钼）的氧化物或氢氧化物纳米片。再通过气相反应，使其转化为相应的含双金属的MOFs材料，最终通过高温碳化得到三维电极。

选取MOFs作为前驱体，是因为其结构的多孔性，可以有效避免热解过程中团聚。双金属的均有特定的作用。如金属钼（最终转化为碳化钼）是活性位点的主体。但金属钼不易通过气相反应转化为MOFs，金属钴则可通过气相反应转化为MOFs作为前驱体的主要骨架。金属钴的引入也可以调节金属钼的电子结构，增强材料的活性。

要点二：普适性的合成策略

本文所提出的合成策略中，双金属的氧化物和氢氧化物纳米片是成功的重要保证。理论上，只要提供活性的金属，如金属Mo，W，V，Ta等，只要可以与能形成MOFs的金属如Fe，Co，Ni，Zn，Al等形成双金属的结构，就可以采取该合成策略，得到期望的三维电极。

为提供验证，我们同样制备了碳化钨的电极，即WxCoyC/NF电极。测试表明，碳化钨电极同样具有良好的HER催化活性。因此，该策略是具备普适性的。

要点三：前瞻

当前对于模板法合成金属碳化物的了解和研究仍然有限，这也是未来研究的一个潜在方向。由于无法控制双金属纳米片的厚度，在气相反应中仍存在转化不彻底的现象，残余的氧化物或氢氧化物在热解过程中形成大粒径的颗粒，限制材料的HER活性。

并且，这些氧化物或氢氧化物的存在使得在热解过程中保持MOFs的结构更为困难，在热解过程中出现彻底的结构坍塌，丧失了更多的多孔性。另外在气相合成中，MOFs配体的选择也具有一定的局限性，无法充分发挥MOFs材料多样性的优点。如能顺利解决上述问题，必然能将HER活性进一步提升。

文章链接

In-situ growth of MOF derived ultrafine molybdenum carbides nanoparticles supported on Ni foam as efficient hydrogen evolution electrocatalysts

通讯作者介绍

宫建茹研究员，博士生导师，中科院青促会优秀会员。

2005年在中科院化学所获物理化学专业博士学位，师从白春礼、万立骏院士；2005-2008年在美国哈佛大学Charles M. Lieber研究组做博士后；2009年加入国家纳米科学中心。课题组在Proc. Natl. Acad. Sci. USA，J.Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Nano Lett.等期刊发表论文30余篇，获授权发明专利4项。