第一作者：趙展

通訊作者：孟祥超教授

通訊單位：中國海洋大學

論文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51976-5

全文速覽

過渡金屬Mo基合金因其可調的化學組成、電子結構以及高度的穩定性，被廣泛研究并用作析氫電催化劑。通常，在合成過程中，高溫（> 1300 K）能夠促進合金的形成，為原子分散提供活化能，但也容易引起熱力學驅動的原子聚集，進而影響電化學活性與穩定性。基于此，中國海洋大學孟祥超教授課題組提出了利用快速焦耳加熱技術精確誘導RuMo合金的形成，實現了RuMo納米合金在MoO2基底的高分散性構筑，從而合成高活性、高穩定性的合金電催化劑。

背景介紹

氫能作為一種低碳高效的清潔能源，在全球能源轉型和應對氣候變化方面扮演重要角色。按照制氫的三種方法，氫能分為灰氫、藍氫、綠氫。其中，以可再生能源電解水制氫為代表的綠氫在生產過程中不產生溫室氣體，被廣泛視為實現碳中和目標的重要路徑之一。陰離子交換膜（AEM）制氫技術被認為是集堿性電解水（ALK）與質子交換膜電解水（PEM）優勢于一體的第三代電解水制氫技術，具有高效率、低成本、快速啟停等優勢，但在大電流密度下電解槽系統活性和穩定性不足限制了其產業化應用。因此，開發大電流密度下高活性、性能穩定的堿性析氫催化劑是AEM制氫技術亟待解決的核心問題之一。過渡金屬Mo基合金因其可調的化學組成、電子結構以及高度的穩定性，被廣泛研究并用作析氫電催化劑。通常，在合成過程中，高溫（> 1300 K）能夠促進合金的形成，為原子分散提供活化能，但也容易引起熱力學驅動的原子聚集，進而影響電化學活性與穩定性。

本文亮點

1.本工作提出利用新型快速焦耳加熱技術合成調控制備Mo基合金電催化劑，有效避免了長時間加熱所導致的催化劑凝結、氧化等問題，為精準化合成高性能、高穩定性的合金電催化劑提供新思路。

2.通過材料表征證實催化劑為RuMo合金納米顆粒負載于MoOx的復合材料。所制備的催化劑在堿性環境中表現出優異的穩定性(2000 h @ 1000 mA cm-2)和活性(9 mV @ 10 mA cm-2)。

3. 本文結合一系列實驗表征與理論計算結果證明，通過焦耳加熱策略引入Ru元素后，催化劑的空位形成能（9.36 eV）以及Mo-o*反鍵能級能夠得到有效的增加和提高，從而抑制了Mo元素的溶解，提升催化劑的穩定性。并且，借助于RuMo納米合金引入的不對稱電場，能夠有效調控界面水網絡，促使快速的OH轉移動力學，進而在電解水制氫方面表現出優異性能。

圖文解析

我們提出了一種新型快速焦耳加熱技術合成調控制備Mo基合金電催化劑，有效避免了長時間加熱所導致的催化劑凝結、氧化等問題。XPS和同步輻射結果有效地證明了RuMo合金的成功制備。

結果表明，合成催化劑具有全pH應用潛力(在1 M KOH, 1 M PBS, 0.5 M H2SO4溶液中的析氫過電位分別為9 mV @ 10 mA cm-2, 18 mV @ 10 mA cm-2和15 mV @ 10 mA cm-2)，并在堿性環境中表現出優異的穩定性(2000 h @ 1000 mA cm-2)。RuMo合金催化劑的引入實現了AEM電解槽（RuMo@MoOx-JH（-）||NiFe-LDH（+））的低能耗制氫（3.82 kW h m-3 @ 300 mA cm-2）。

總結與展望

本工作提出利用一種新型快速焦耳加熱技術合成調控制備Mo基合金電催化劑，其在電解水制氫方面表現出優異性能（1 M KOH: 256 mV @ 2A cm-2）。這項工作為高分散納米合金的制備提供了一種普適性的構筑方案，同時，也為理解電催化制氫反應過程機制提供了更多的理論依據。

作者介紹

通訊作者：孟祥超 教授 中國海洋大學化學化工學院教授、博士生導師。本科畢業于中國海洋大學，碩士和博士畢業于加拿大渥太華大學。2019年全職加入中國海洋大學。主要研究方向：光電催化裂解海水制氫；光催化/電催化CO2還原、固氮及新型光電催化反應器設計及開發。在光電催化領域發表學術論文60余篇。

課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/Meng_Xiangchao

趙展 中國海洋大學化學化工學院在讀博士生。研究方向為新型電催化裂解海水制氫催化劑的設計與合成。

參考文獻：

Zhao, Z., Sun, J., Li, X. et al. Engineering active and robust alloy-based electrocatalyst by rapid Joule-heating toward ampere-level hydrogen evolution. Nat Commun 15, 7475 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41467-024-51976-5