第一作者：冯德杰
通讯作者：陈衍涛，赵旭东
通讯单位：天津理工大学材料科学与工程学院
论文DOI：10.1016/j.apcatb.2025.125373
本工作构建了一种MoN@NiO的核壳异质结构，其中MoN纳米棒的表面被NiO纳米片紧密包覆，通过MoN和NiO的耦合从而形成Mott-Schottky结，加快了电荷转移并降低了反应势垒，进一步提高了HER活性。研究结果表明，MoN@NiO对电催化HER表现出非常高的活性，在碱性溶液中达到10 mA cm-2的过电位仅需55 mV，塔菲尔斜率为65 mV dec-1，与Pt/C催化剂接近。此外，所制备的MoN@NiO在大电流下和连续长期的耐久性测试中也具有相当稳定的表现。
电解水制氢作为一种零排放、高热值的清洁能源，受到了广泛的关注。Pt通常被认为是最有效的析氢反应催化剂，但昂贵和稀有的特点限制了其应用。过渡金属氮化物因其独特的能带结构和金属性质而显示出巨大的潜力，同时，金属氧化物被普遍认为可以通过加速H2O分子的分解来改善碱性介质中的HER性能，但金属氧化物导电性通常较差，会减缓HER中的电荷转移。值得注意的是，金属氮化物和氧化物因其各自的金属和半导体特性可以形成Mott-Schottky结，它们不同的功函数成为电子跨界面转移的驱动力，从而加速电荷转移，并通过调整HER过程中中间体的吸附强度来降低能垒。因此，构建金属氮化物和氧化物的异质结构是实现快速电荷转移和降低反应势垒的有效策略，这将有助于开发低成本、高效率的电催化剂。
利用氨气高温氮化MoO3纳米棒得到多孔的MoN，在硝酸镍溶液中经过不同时间恒电流沉积和后续氩气氛围下煅烧得到NiO纳米片包覆的核壳异质结构（图1，图2）。
图1 材料合成流程。
图2 MoN@NiO异质结构微观形貌及元素分布。
根据电化学测试结果（图3 a-c），MoN@NiO对电催化HER表现出非常高的活性，在碱性溶液（1M KOH）中达到10 mA cm-2的过电位仅需55 mV，塔菲尔斜率为65 mV dec-1，与Pt/C催化剂接近。值得注意的是，MoN@NiO的电荷转移电阻比MoN小得多（图 3e），表明以Mott-Schottky结为特点的核壳异质结构的构建可以有效地促进电荷转移。同时MoN@NiO相比于MoN或NiO具有更大的电化学活性面积（图 3f）。此外，电催化剂在长期运行期间的稳定性对于其应用至关重要，所制备的MoN@NiO在200 mA cm-2、连续100 h的耐久性测试中表现优秀，测试后仍能够保持原有结构，具有相当稳定的表现（图4）。
图3 电化学测试结果。
图4 耐久性测试结果。
通过DFT计算揭示了MoN@NiO对电催化活性的增强机制，NiO表现出典型的半导体特性（图5a）。同时，MoN表现出金属性质，因此NiO和MoN的耦合导致MoN@NiO呈现出零带隙，这可以促进HER中的电荷转移。此外，HER路径中的吉布斯自由能表明，与NiO和MoN相比，MoN@NiO上的中间体的结合强度更接近热力学中性（图5c）。
图5 DFT计算结果。
在MoN纳米棒上负载NiO纳米片，形成MoN@NiO核壳异质结构，具有金属特性的MoN和具有半导体特性的NiO之间可以形成Mott-Schottky结，它们的不同功函数成为电子在界面上转移的驱动力，MoN@NiO对HER具有优异的电催化活性，理论计算表明，MoN@NiO具有金属特性，能有效地促进电荷转移，中间体在MoN @NiO上的结合强度更接近热力学中性。MoN@NiO的成功制备表明，金属氮化物和氧化物组成的异质结构在加速电荷转移和降低反应势垒方面具有协同效应，这将为未来开发低成本、高效益的HER电催化剂提供有力支撑。
陈衍涛，教授，入选天津市海外高层次人才引进计划、天津市特聘教授。本科毕业于中国科学技术大学，博士毕业于布朗大学。研究方向主要为纳米材料的光电催化，纳米储能材料等。以第一/通讯作者在ACS Nano, Nano Letters, Nano Energy, Applied Catalysis B: Environment and Energy, Small, Chemical Engineering Journal等国际知名期刊发表论文30余篇。获得2020 Nano Research Top Papers Award等科研奖励。
赵旭东，博士，天津理工大学材料科学与工程学院讲师，本硕博就读于南开大学化学学院，主要从事计算化学和计算材料学领域的基础研究工作，围绕能源电池材料的设计与性能调控展开研究。在Angewandte Chemie International Edition, Small, Energy Storage Materials等国际知名期刊发表论文40余篇。
声明
“邃瞳科学云”直播服务
扫描二维码下载
邃瞳科学云APP
