南开大学焦丽芳教授JMCA研究论文：界面氧调控超薄异质结MoN-MnO的电催化析氢性能- 大数跨境

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南开大学焦丽芳教授JMCA研究论文：界面氧调控超薄异质结MoN-MnO的电催化析氢性能

科学材料站

2021-03-20

导读：该观点文章提出了通过界面多个位点的协同作用：界面氧与MoN的协同，优化了N活性位点最适中的H*吸附强度，以构建高效的HER催化剂。

本文要点

界面氧调控超薄异质结MoN-MnO的电催化析氢性能

通讯作者：焦丽芳*

单位：南开大学

研究背景

过渡金属氮化物（TMNs）因其固有的特性作为HER的电催化剂而被广泛报道。TMNs具有很高的耐腐蚀性、导电性和机械强度。TMNs通常被认为是在金属的晶格间隙中引入了氮原子，从而金属d带形成的金属-氮键将提供电子给体特性，增加金属的d电子密度，产生与贵金属相似的电子结构。

但是TMNs作为HER催化剂的局限性：尽管大多数TMNs都是活性中间体H*吸附（Had）和重组的良好催化剂，但在碱性介质中需要先发生水的解离步骤来提供反应需要的质子，而金属氮化物的这一基元反应步骤通常效率低下，往往造成在实际应用中较差的活性。

文章简介

基于此，来自南开大学的焦丽芳教授在国际知名期刊JMCA上发表题为“Few-Layered MoN-MnO Heterostructures with Interfacial-O Synergistic Active Centers Boosting Electrocatalytic Hydrogen Evolution”的研究文章。

该观点文章提出了通过界面多个位点的协同作用：界面氧与MoN的协同，优化了N活性位点最适中的H*吸附强度，以构建高效的HER催化剂。

本文要点

要点一：反应机理

杂化结构界面处不同位点的协同作用提高了碱性介质HER中MoN-MnO的催化活性，反应机理可以总结为图1。HER机制的基本反应步骤包括：水的离解、M-Had中间体的形成和Had原子的重组（粉色箭头）。界面处的MnO组分可以加速水的解离并解吸OH-（红色箭头），然后吸附另一个水（蓝色箭头）。MnO组分和水的O原子之间的相互作用也协调了水的吸附（红色虚线）。

更重要的是，界面处不同组分（MoN、界面O、MnO）促进电荷在边界的重新分配，调节了位点的ΔGH*，同时界面O与MoN中N活性位点的协同作用（粉色折线）实现最佳的H吸附。同时，紧密的界面连接也缩短了较长的反应路径，促进了氢的结合和解吸。

图1. 反应机理图

要点二：不同活性位点的协同

图2 MoN-MnO模型中选取的计算位点

界面上的组成包括界面O原子、其他界面原子、MoN和MnO。图2模型表示了所有可能的位点，即N1（MoN组分的活性部位，与O4位点具有相互协同作用的界面位点）、N2（无协同效应位点）、Nslab（界面外位点）、O1（无界面协同效应的位点），O2（MnO组分和MoN组分相互协同的位点）、Mn1和O3（远离界面的无协同作用的位点）。

要点三：界面O协同作用的验证

图3a表示了不同位点的ΔGH*值。界面处的O位点O2（ΔGH* = 0.38 eV）与O1（ΔGH* = 0.21 eV）具有接近的值并且显著高于界面外的O3位点，表明引入界面的协同调控有显著作用，具有增强潜在HER活性的作用。

相比于无协同效应的N2位点（ΔGH* = -1.6 eV）和界面外的Nslab位点（ΔGH* = -0.5 eV），协同效应的N1位点提供了-0.08 eV的ΔGH*。这归因于在N1吸附的H*与界面O3位发生了协同作用（图3b）。

图3 （a）不同位点的ΔGH*；（b）H在N1位点上的吸附状态

要点四：优异的活性

图4 MoN-MnO在碱性介质种的HER活性

在图4中，MoN-MnO在1 M KOH中表现出良好的HER活性，产生10 mA cm-2的电流密度时过电位仅需35 mV，低于任意单相的MoN和MnO，甚至低于商用Pt/C。MoN-MnO的Tafel斜率为30.2 mV dec-1，小于Pt/C，显示更快的反应动力学。界面O协同造就了 MoN-MnO优异的活性。

文章链接

Few-Layered MoN-MnO Heterostructures with Interfacial-O Synergistic Active Centers Boosting Electrocatalytic Hydrogen Evolution

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta00908g#!divAbstract

通讯作者介绍

焦丽芳教授。南开大学化学学院教授，博士生导师。

课题组招聘

南开大学焦丽芳教授课题组招收电催化和二次电池方向博士后

一、导师简介

焦丽芳，南开大学化学学院教授，博士生导师，南开大学百名青年学科带头人。

2016年获国家优秀青年基金资助，2020获国家杰出青年基金资助。课题组主要从事新能源材料的储存与转化研究：包括二次电池（锂，钠，钾等）、电催化分解水制氢等能源、材料、化学交叉研究。以课题负责人身份主持国家863项目、国家自然科学基金，天津市重点基金等10余项项科研课题；在Chem. Soc. Rev., Angew. Chem., Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Nano Energy 等期刊上发表论文200余篇，累计引用11000多次，h-index 57。2019年第一完成人获天津市自然科学一等奖。现因研究工作需要，拟招聘电催化、二次电池等方向的博士后研究人员2名。二、待遇

二 . 待遇

1 .博士后A档聘任人员年薪税前35万元人民币；博士后B档聘任人员年薪税前20万元人民币。年薪中包含2万元奖励性绩效（税前），奖励性绩效于聘期考核后发放。入选博新计划者，兼得国家和学校支持，最高可享年薪共计55万元人民币（税前）。根据科研成果，课题组还将提供额外科研奖励。

2. 享受天津市给予对博士后每人一次性5万元生活补贴。

3. 经导师和学校批准，在站期间可带薪作为联合培养博士后去国际顶尖研究机构从事科学研究。博士后第二聘期结束前，工作业绩突出者可通过岗位评审程序聘为南开大学教师（正式编制）。

4. 可根据《南开大学青年教职工周转住房管理暂行办法》相关规定向学校申请周转住房。子女入学（小学）、入托等享受学校事业编制教师待遇。

5. 入站后学校认定中级专业技术职务，出站后学校颁发博士后证书。享受国家和天津市各项博士后政策，包括基金申请、出国项目申报等。

6. 直接申请南开化学A/B档博士后岗位或依托博新计划申报均可。

三、招聘程序及联系方式

有意者请将详细简历（包括个人基本情况、教育背景和工作经历、科研工作概述、论文发表情况等）以及代表作发送至：jiaolf@nankai.edu.cn。简历经过筛选后通知面试，合格者办理入站手续。