近年来，清洁能源问题引起越来越多的关注，而成本较低的电解海水产氢也随之成为科学研究的热点。追求高性能、低成本的电催化剂成为一种重要的趋势，目前传统电催化产氢的催化剂主要以金属铂为主。其成本高昂，并不适用于大规模的工业使用。同时，由于海水强腐蚀性、弱导电性以及毒化离子的存在，铂基催化剂电解海水产氢的性能并不令人满意。因此，制备高活性且耐腐蚀的催化剂是未来电解海水产氢的研究方向。近日，澳大利亚阿德莱德大学的乔世璋团队通过一种镍金属诱导的方法，常压下成功合成出一种新型的富氮二维材料Mo5N6用于高效电解海水产氢。该材料结合高催化活性以及高稳定性等特点，为未来高效电催化产氢提供了新的思路。
过渡金属富氮化合物具有独特的电子结构、良好的导电性以及较好的抗腐蚀能力，所以在电解海水产氢领域具有很好的发展前景。但在过渡金属晶格内嵌入氮原子需要很大的能量，导致富氮化合物的常压合成存在很大的阻碍。
阿德莱德大学的乔世璋团队开发出一种新型的合成方法，首次在常压条件下合成出富氮的二维Mo5N6纳米片，很好地弥补了上述缺憾。由于其独特的富氮结构，这种新型的二维材料具有良好的导电性及耐腐蚀性，因此在电解海水产氢中表现出优异的性能。与传统缺氮化合物不同，富氮的结构致使金属原子价态升高，提升了材料整体的稳定性。这种材料可以在天然海水中持续产氢100小时，而衰减小于20%，优于相关的金属缺氮化合物以及金属铂。
该研究选择含有钼镍的化合物作为催化剂前驱体，通过氨化处理在常压条件下制备了具有二维形貌的富氮Mo5N6纳米催化剂。值得注意的是，使用没有加入Ni前驱体制备的是缺氮的MoN纳米片，这也证明了Ni诱导剂在富氮化合物常压合成中的重要作用。
根据TEM和SAED成像，镍诱导法制备的Mo5N6纳米片具有二维结构（~3 nm）以及体相Mo5N6的晶体特征，同时XPS以及XANES成像证明了Mo5N6中Mo原子的高价态。
电化学测试表明，在电催化产氢反应中，Mo5N6具有优异的活性。在天然海水电解质中，Mo5N6的活性超过相关缺氮化合物以及金属铂。在电流密度10 mA•cm-2处，过电势只有257 mV。在4小时的稳定性测试中，Mo5N6可保持其原始活性的99.4%，优于Pt/C (5.5 %)、MoN (55 %)、Ni0.2Mo0.8N (49.1 %)和Ni3N (20 %)。理论计算发现，Mo5N6的d带中心相比于MoN更接近Pt，由此解释了其高催化活性的起源。
这项研究表明二维富氮Mo5N6纳米片是一种具有优越性能的电催化产氢催化剂，从而证实了具有富氮结构的过渡金属氮化物作为高效电解海水产氢催化剂的可行性。该研究为设计具有高活性、高稳定性的电催化剂提供了新的思路，同时建立的新型合成方法也为常压条件下合成富氮过渡金属化合物提供了重要的借鉴。相关研究发表在ACS Nano 上，文章的第一作者为阿德莱德大学的博士研究生金桓宇，通讯作者为郑尧研究员和乔世璋教授。
该论文作者为：Huanyu Jin, Xin Liu, Anthony Vasileff, Yan Jiao, Yongqiang Zhao, Yao Zheng and Shi–Zhang Qiao
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Single-Crystal Nitrogen-Rich Two-Dimensional Mo5N6 Nanosheets for Efficient and Stable Seawater Splitting
ACS Nano, 2018, 12, 12761, DOI: 10.1021/acsnano.8b07841
导师介绍
乔世璋
https://www.x-mol.com/university/faculty/29675
本文版权属于X-MOL（x-mol.com），未经许可谢绝转载！欢迎读者朋友们分享到朋友圈or微博！
长按下图识别图中二维码，轻松关注我们！
点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊
